（本文作者张晓泉杠杆和保证金，清华大学经济管理学院 Irwin and Joan Jacobs 讲席教授）
最近看到了一篇关于量子计算的有趣的论文，讲的是基于量子物理学的视角来看，DNA可以看作是完美的量子计算机。
在介绍这篇论文之前，先简单回顾一下关于量子计算的一些核心要点，方便后面的理解。
量子计算机与普通计算机（经典计算机）最根本的区别在于处理和存储信息的方式以及底层的物理原理的不同，具体表现在如下这些方面：
1）信息单元：不同于经典计算机的比特（bit），量子计算机使用量子比特（qubit），qubit可以同时处于0和1的叠加状态，这使得量子计算机可以同时处理更多的数据。
2）量子叠加：在任何给定时间，bit的状态是确定的，要么是0要么是1。然而，qubit可以处于叠加态，即同时是0和1，直到被测量。如果把bit比作硬币的两面，qubit就像是空中旋转的硬币。
3）量子纠缠：bit的状态是独立的，而qubit之间可以形成量子纠缠，即一个qubit的状态可以即时影响另一个qubit的状态，无论它们相隔多远。
4）计算能力：经典计算机在执行算法和处理任务时，一次只能执行一个或有限个操作。量子计算机由于qubit叠加和纠缠的特性，一个量子比特可以同时表示0和1，多个量子比特的系统可以同时处理2的N次方个状态（N为量子比特的数量）。
这种能力使得量子计算机可以在同一时间内进行大量并行计算，用于解决某些特定类型的问题，如大整数因数分解（对密码学至关重要）、搜索问题和模拟量子系统等。
5）物理实现：经典计算机基于半导体技术，使用逻辑门和电路来控制电流的流动。量子计算机依赖于量子力学原理，可能使用离子阱、超导量子比特、光量子计算等不同的物理系统来实现qubit。
6）错误率和稳定性：经典计算机相对稳定，错误率较低，可以通过传统的方法进行错误检测和纠正。量子计算机由于量子态的脆弱性，它们对环境干扰非常敏感，容易发生退相干和量子信息的丢失，需要复杂的量子纠错技术。
7）应用领域：经典计算机适用于广泛的应用，包括日常计算、数据处理、商业应用、游戏等。量子计算机虽然目前还处于研究和开发阶段，但预期将在材料科学、药物开发、复杂系统模拟等领域发挥重要作用。
基于量子计算的上述特性，实现实际可用的量子计算机仍面临巨大挑战，尤其是在维持量子态的相干性方面。
于是，在这篇题为《DNA as a perfect quantum computer based on the quantum physics principles》的论文中，来自不同机构的科学家团队提出了一种基于DNA的量子计算模型，探索了DNA分子在量子信息处理中的潜力。
下面是这篇论文的主要内容。
DNA作为量子比特的理论背景
研究人员从量子力学的角度解释了DNA的芳香性（由不饱和键、孤对电子和空轨道组成的共轭系统具有特别的、仅考虑共轭时无法解释的稳定作用）。
他们发现，DNA中的电子和空穴对由于量子化的分子振动能量会形成振荡共振态，在氮碱基中产生超电流。
而DNA中的腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）之间或鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）之间的中心氢键像一个理想的约瑟夫森结（Josephson Junction）一样发挥作用。
因此，DNA分子的基本组成单位——碱基对（如A-T和C-G）可以作为量子比特（qubits）使用。碱基对的电子态在一定条件下可以表现出量子叠加态和量子纠缠态，这使得它们具备作为量子信息存储和处理单元的潜力。
另外，DNA不仅满足构建通用数字量子计算机的标准——迪文森佐准则（DiVincenzo's criteria），而且即使在高温（90°C）下，也是最稳定的分子。
量子纠缠与量子通信
研究人员探讨了两个超导体之间的约瑟夫森效应和含氮碱基凝聚的方法，以获得形成量子比特的两个纠缠量子态并实现量子通信。
通过详细的数学模型，论文展示了如何利用DNA分子实现量子态的远距离传输（即量子隐形传态）。研究了RNA聚合酶在转录过程中如何利用量子纠缠态将信息从DNA传输到RNA，以及如何利用RNA聚合酶在DNA转录过程中保护和操作量子态，从而实现量子信息的稳定传输。
量子态的传输与量子门操作
论文提出了一种量子态传输的基本协议。该协议模拟了基于DNA量子比特的量子计算过程。具体步骤如下：
量子态的制备：通过特定的生物化学反应制备A-T或C-G碱基对的量子态。
量子态的传输：利用RNA聚合酶在转录过程中保护量子态，并通过特定的量子操作将量子信息从一个碱基对传输到另一个碱基对。
量子门操作：在传输过程中应用基本的量子门操作（如CNot门），实现量子态的操控和计算。
结果与讨论
通过一系列的理论分析和计算机模拟，研究人员验证了基于DNA的量子计算模型的可行性。
结果表明，DNA碱基对能够在一定条件下实现稳定的量子态传输和纠缠态的维持。同时，RNA聚合酶在转录过程中的作用被证明是保护量子态相干性的重要机制。
论文的最后，讨论了该模型的改进方向和未来研究的潜力。提出了几种可能的实验方案，以验证理论模型的可行性和有效性。还探讨了如何将该模型应用于更复杂的量子计算任务，如量子算法的实现和量子网络的构建。
基于DNA的量子计算模型为量子信息处理提供了一种新颖的途径。通过充分利用DNA分子的生物化学特性和量子力学特性，可以在分子水平上实现量子信息的存储和传输。这一研究不仅拓展了量子计算的研究领域，也为生物分子计算和量子生物学提供了新的视角和方法。
（本文作者张晓泉，清华大学经济管理学院 Irwin and Joan Jacobs 讲席教授）
本文仅代表作者观点。
张晓泉
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