什么是量子比特 (量子位)？

发布日期：2024 年 2 月 28 日
撰稿人：Josh Schneider、Ian Smalley

什么是量子比特 (量子位)？

量子比特，或称为量子位，是量子计算中用于编码数据的基本信息单位，可以理解为传统计算机用于以二进制形式编码信息的传统比特在量子领域的等效物。

“量子比特 (量子位)”一词源于美国理论物理学家 Benjamin Schumacher。量子比特 (量子位) 通常（但不完全）通过操纵和测量量子粒子（物理宇宙中已知的最小组成部分）产生，例如光子、电子、囚禁离子、超导电路和原子。

在量子力学的独特特性的支持下，量子计算机使用量子比特 (量子位) 来存储比传统比特更多的数据，这极大地改进了加密系统，并能够执行非常先进的计算，而经典的超级计算机需要数千年才能（或不可能）完成同样的计算。

在量子比特 (量子位) 的支持下，量子计算机可能很快就会得到证明，能够在解决人类面临的许多重大挑战方面发挥关键作用，例如癌症和其他医学研究、气候变化、机器学习和人工智能 (AI)。

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了解量子计算

量子计算代表着下一代计算能力，采用专业技术（包括利用量子力学原理的计算机硬件和算法）来解决经典计算机或超级计算机无法解决（或无法足够快速地解决）的复杂问题。

量子计算机的概念于 20 世纪 80 年代首次提出，从纯理论到实际硬件应用，其发展经历了漫长的道路。如今，IBM Quantum 为数十万开发人员提供了真正的量子硬件，这是一种科学家在三十年前刚开始想象的工具。

当物理学家和工程师遇到难题时，他们会求助于超级计算机。然而，即使是超级计算机，也是基于二进制代码的机器，依赖于 20 世纪的晶体管技术，在解决高度复杂的问题时举步维艰。这些经典计算机还受到材料限制，例如过热，从而严格限制了它们处理信息的能力。有些复杂的问题，例如分子中单个原子的建模，我们不知道如何用任何规模的经典计算机来解决。

量子力学定律决定了自然世界的秩序。很多情况下，利用量子比特 (量子位) 的量子态进行计算的计算机，应该是我们理解量子比特 (量子位) 和解决最复杂问题的最佳工具。

研究量子计算机时，重点是要了解量子力学与传统物理学不同。描述量子粒子的行为是一项独特的挑战，因为自然界大部分的常识范式都缺乏一个词汇来理解量子粒子看似违反直觉的行为。

量子比特与比特

比特和量子比特 (量子位) 有许多不同的类型，但所有量子比特 (量子位) 都必须遵守量子物理定律，并能够以量子叠加态存在。

一个经典比特只能存在于 0 或 1 的位置。不过，量子比特 (量子位) 还可以占据第三种状态，即叠加态。叠加代表 0、1 和两者之间的所有位置同时获取，总共有三个单独的位置。

虽然量子比特 (量子位) 可以编码三个独立的位置，但它们仍然用于通过二进制系统传达信息。在此类系统中，比特一词既可以指代用于表示 0 或 1 的材料或工艺，也可以指该比特的测量值（即 0 或 1）。

了解比特

在传统或经典计算中，可以将单个比特视为一段二进制信息，表示为 0 或 1。现代计算机通常将比特表示为电压或电流脉冲（或触发器电路的电气状态）。

当这些系统中没有电流流动时，可将电路视为关闭，此状态表示为 0。当有电流流动时，可将电路视为开启，此状态表示为 1。

术语“比特”本身就是“二进制数位”的合成词，二进制位是所有计算的基础。无论是录制数字视频、制作 3D 模型动画还是使用计算器应用程序，从操作系统到软件的所有数据均由二进制代码构建，二进制代码是比特的集合。计算机字节由八个比特组成，这是使用二进制表达一个文本字符所需的最少比特数。

比特可以用电来表示，例如，电流通过（或不通过）硅芯片。比特也可以通过物理方式表示，如一张纸上有孔或没有孔，就像旧时的打孔卡计算中使用的那样。任意两级系统，如果系统的状态只能用两个潜在位置之一（例如，上或下，左或右，打开或关闭）进行描述，均可用于表示一个比特。

了解量子比特 (量子位)

虽然量子技术确实使用二进制代码，但从量子系统派生的量子数据（如量子比特）对数据的编码与传统比特不同，具有一些显著的优势。研究人员已经制定了多种方法来创建量子比特 (量子位) ，或使用自然存在的量子系统作为量子比特 (量子位) 。然而，在几乎所有情况下，量子计算机都需要极端制冷来隔离量子比特 (量子位) ，并防止干扰。

从理论上讲，任何两级量子系统均可用于制造量子比特 (量子位) 。当某些系统特性可以在二进制位置（如上或下）进行测量时，量子系统即可描述为两级系统。多级量子系统也可用于创建量子比特 (量子位) ，只要该系统的两个方面可以有效地隔离，以产生二进制测量。正如传统计算机可以使用多种类型的比特，例如电流、电荷，或在一张纸上打孔（或未打孔）进行打孔卡计算，量子计算机也可以使用多种类型的比特。某些比特更适合某些函数，而先进的量子计算机可能会使用多种比特类型的组合来实现不同的操作。

由于每个比特可以表示 0 或 1，因此通过配对两个比特的信息，我们可以创建多达四个唯一的二进制组合：

每个比特可以是 0 或 1，而单个量子比特 (量子位) 可以是 0、1 或一个叠加。量子叠加可以描述为 0 和 1，或者是介于 0 和 1 之间的所有可能状态，因为它实际上代表了量子比特 (量子位) 状态的概率。

在量子层面，量子比特 (量子位) 概率以波函数的形式进行测量。量子比特 (量子位) 的概率振幅可用于对多个数据进行编码，并在与其他量子比特 (量子位) 结合使用时执行极其复杂的计算。

处理复杂问题，例如分解一个大质数时，传统比特会被大量信息所束缚。量子比特 (量子位) 的行为则有所不同。由于量子比特 (量子位) 可以保持叠加，因此使用量子比特 (量子位) 的量子计算机可以计算更大的数据量。

作为理解比特与量子比特 (量子位) 的一个有用类比，可以想象一下，您正站在一个复杂迷宫的中心。为了逃出迷宫，传统计算机必须使用“蛮力”解决问题，尝试所有可能的路径组合，以便找到出口。这种计算机会使用比特来探索新的路径，并记住哪些是死胡同。

相比之下，形象地说，量子计算机可以立即得出迷宫的鸟瞰图，同时测试多条路径，并揭示正确的解决方案。然而量子比特 (量子位) 不会一次“测试多条路径”。相反，量子计算机会通过测量量子比特 (量子位) 的概率振幅来确定结果。这些振幅就像波纹一样，也会相互重叠和干扰。当异步波重叠时，这实际上会消除复杂问题的潜在解决方案，而实现的一个或多个相干波则会呈现解决方案。

什么是量子纠缠？

爱因斯坦最初将量子纠缠描述为“幽灵般的超距离作用”，这是一种现象，其中两个量子比特（或任何两个或多个量子粒子）交织在一起，使得一个粒子的状态不能独立于另一个粒子的状态来描述，无论它们之间的距离多远。

当两个量子比特 (量子位) 纠缠在一起时，会以叠加形式存在，直到对其中一个量子比特 (量子位) 进行测量。观测到后，二者的量子叠加就会崩溃，且任何未观测到的量子比特 (量子位) 的位置都与观测到的量子比特 (量子位) 相反。

例如，如果在 1 位置测量纠缠量子比特 (量子位) 对的其中一半，则另一个量子比特 (量子位) 可以立即测量为 0。量子纠缠的影响十分巨大，因为我们对这种现象的理解比较有限。可以肯定的是，传统比特不会变得互相纠缠。通过这种方式，纠缠的量子比特 (量子位) 似乎可以在光年之间瞬间传输信息，速度超过光速。虽然量子比特 (量子位) 实际上传输数据的速度并不比光速快，但量子纠缠可以显著增加量子电路的功率。

不同类型的量子比特 (量子位) 及其优势

由于任何两级量子系统均可用于创建量子比特 (量子位) ，因此研究人员目前正在开发许多不同类型的量子比特 (量子位) ，并且某些量子比特更适合某些特定应用。

超导

超导量子比特 (量子位) 使用极低温度下运行的超导材料制成，由微波脉冲操纵，因其相对强大的相干性而受到量子计算机科学家的青睐。

囚禁离子

利用先进的激光技术，囚禁离子粒子也可以用作量子比特 (量子位) 。囚禁离子量子比特 (量子位) 具有长相干时间和高精确度测量的特点。

量子点

量子点是一种小型半导体，能够捕获单个电子并将其用作量子比特 (量子位) 。量子点量子比特 (量子位) 可以利用磁场进行操纵，其潜在的可扩展性和与现有半导体技术的兼容性受到了研究人员的特别关注。

光子

通过设置和测量单个光粒子的定向自旋态，光子量子比特可用于通过光纤电缆长距离发送量子信息，目前正用于量子通信和量子加密技术。

中性原子

通常存在的中性原子由平衡的正电荷和负电荷离子电荷定义。利用激光，这些原子可以携带能量电量进入许多激发态，其中任何两个都可以用来创建一个非常适合放大和执行操作的量子比特 (量子位) 。

量子比特难题

量子比特 (量子位) 虽然强大，但也十分喜怒无常。要使量子比特 (量子位) 发挥作用，必须将其冷却到仅比绝对零度高出几分之一度，而绝对零度比外太空还冷。

当量子粒子受到充分控制，以发挥量子比特 (量子位) 的作用时，即可视为具有相干性。当量子比特 (量子位) 失去这种能力时，则会将其描述为非相干。为功能型量子比特 (量子位) 创建相干状态，所需的高功率制冷是量子计算面临的主要挑战。

即使在最冷的条件下，量子比特 (量子位) 系统一般也会容易因退相干而失效。值得庆幸的是，新兴算法量子纠错领域的进步有可能稳定以前脆弱的量子系统。