量子比特

量子比百科特

在經(jīng)典圖靈機(jī)模型中，儲(chǔ)存經(jīng)典信息的基本單位叫做比特。它是一個(gè)二進(jìn)制變量，其數(shù)值一般記做二進(jìn)制的 0 或者 1。

一個(gè)比特要么是 0，要么是1，正如向空中拋起一枚硬幣，那么它落下后要么正面朝上，要么反面朝上。

我們用二進(jìn)制的比特理論上可以?xún)?chǔ)存任何信息，最簡(jiǎn)單的，像儲(chǔ)存十進(jìn)制整數(shù)就可以利用二進(jìn)制和十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。3=11， 4=100， 50=110010 等等。當(dāng)然，非整數(shù)也是可以寫(xiě)成二進(jìn)制的形式，像 5.5=101.1，也就是說(shuō)任意實(shí)數(shù)都可以按精度要求用二進(jìn)制來(lái)表示。而在電子學(xué)中，很多器件是非常適合二進(jìn)制表示的，像電壓的高低和開(kāi)關(guān)，電容器的帶電荷與否等等，都可以來(lái)作為一個(gè)比特的載體。

但在量子世界，一切都發(fā)生了改變。一個(gè)量子的硬幣不僅可以正面或反面朝上，它甚至可以同時(shí)正反面都朝上，在你觀(guān)測(cè)它之前。**的薛定諤的貓就是這個(gè)道理，這只貓?jiān)陂_(kāi)箱子，也就是觀(guān)測(cè)之前，它又是*的又是活的，處于生和*的疊加態(tài) (superposition state)上。

正是疊加性這個(gè)奇妙的性質(zhì)引出了量子比特 (quantum bit, qubit) 的概念。（百度知道里不方便輸入公式，更詳細(xì)的介紹見(jiàn)量子研究網(wǎng)站：quantum-study.com/article/795/21.html）在物理實(shí)現(xiàn)上，原則上具有疊加性質(zhì)的兩態(tài)量子系統(tǒng)都適用做qubit。目前的實(shí)驗(yàn)室里，像 核磁共振中處于磁場(chǎng)中的自旋 1/2 粒子 (自旋向上和向下)，空腔中的原子的態(tài) (原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài))，超導(dǎo)結(jié)之間隧穿的庫(kù)珀對(duì) (Cooper pairs處于一個(gè)結(jié)和另外一個(gè)結(jié)時(shí))，都可以被用作 qubit。

當(dāng)然，如果一個(gè)硬幣可以同時(shí)向上和向下也是可以的，在量子隨機(jī)行走中我們就會(huì)看到這種量子硬幣(quantum coin)?，F(xiàn)在我們可以回過(guò)頭來(lái)在看一下經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的差距，這次是存儲(chǔ)容量上的?？紤]一個(gè)簡(jiǎn)單的情況，我們要儲(chǔ)存 45 個(gè)自旋 1/2 的粒子，這在量子系統(tǒng)中只是一個(gè)很小的體系，只需要 45 個(gè) qubit 就可以實(shí)現(xiàn)。

但如果我們要用經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)，約需要 245 個(gè)經(jīng)典比特，也就是大概4 個(gè) TB 的硬盤(pán)！這里有些典型的數(shù)據(jù)來(lái)跟它比較， 4TB 大概是 4000G 或者4000000M，而一部高清藍(lán)光電影大概是 10G，一本書(shū)大概是 5M。另外一些比較有意思的數(shù)據(jù)是，美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館的所有藏書(shū)總?cè)萘看蟾艦?60TB 或者說(shuō) 50 個(gè) qubit，而 2007 年人類(lèi)所擁有的信息量總和為 2.2 × 109 個(gè) TB，也僅相當(dāng)于 71 個(gè) qubit 的存儲(chǔ)容量。

量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)是什么？

把量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)的可能性，是在1982年由美國(guó)**物理學(xué)家理查德·費(fèi)因曼首次發(fā)現(xiàn)的。不久之后，英國(guó)牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維·多伊奇，于1985年初步闡述了量子計(jì)算機(jī)的概念，并指出，量子并行處理技術(shù)會(huì)大大提高傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的功能。

量子計(jì)算機(jī)最根本的優(yōu)勢(shì)在于，它是利用比分子更小的原子，作為最基本的數(shù)據(jù)單位來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。

美國(guó)、英國(guó)和以色列等**，都先后開(kāi)展了有關(guān)量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)研究。
雖然分子、光子和量子計(jì)算機(jī)的研究才剛剛起步，它們究竟具有什么樣的功能也并不清楚，但科學(xué)家們卻都充滿(mǎn)信心，各國(guó)**也非常支持他們的科研工作。在全世界的關(guān)注和支持下，這幾種新型計(jì)算機(jī)都將在未來(lái)一二十年內(nèi)，取得突破性進(jìn)展，并以獨(dú)特的形象與我們見(jiàn)面。

量子比特與經(jīng)典比特有什么區(qū)別

通俗模式： 前面的回答已經(jīng)很精彩了，我再稍微補(bǔ)充一點(diǎn)，因?yàn)殛P(guān)于量子糾纏的比喻有很多。

什么是量子糾纏?

量子糾纏是什么？ 20分 天然存在的關(guān)系，例如你媳婦在美國(guó)生孩子了，不管他告訴你還是沒(méi)告訴你，你都已經(jīng)成為一個(gè)父親了，你兒子出生，和你成為父親，這兩件事就是一個(gè)糾纏，同時(shí)發(fā)生，不因距離，不因信息傳遞快慢而受影響！ **自然科學(xué)一等獎(jiǎng)的“量子糾纏”到底是個(gè)啥 說(shuō)到量子世界，其實(shí)有兩個(gè)最基本的原理，就是量子疊加原理，而另外一個(gè)其實(shí)是由量子疊加原理引申出來(lái)的量子糾纏。 首先我給大家介紹下量子疊加原理。

什么是量子疊加原理？舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，《西游記》我想大家都看過(guò)吧!就算沒(méi)有看過(guò)原著，電視劇三十年如一日的重播，肯定也會(huì)看過(guò)，我從小也非常希望有孫悟空的一個(gè)能力，就是它的分身術(shù)，一個(gè)分身留在這里聽(tīng)老師訓(xùn)話(huà)上課，另外一個(gè)分身就跑出去搗蛋。

那么在量子的世界里，量子就是孫悟空，它也有分身術(shù)，但是跟孫悟空的分身術(shù)不一樣的地方在于，在量子的世界里量子的分身術(shù)不能被人看到，一旦有人去看它，它的分身就會(huì)隨機(jī)地消失，而**只留下一個(gè)。 假設(shè)你在 ABC 三個(gè)地方有三個(gè)分身，如果有人不管在那個(gè)地方去看它，它有可能 AB 的分身消失，也有可能是 BC，也有可能是 AC，隨機(jī)的消失一個(gè)，而只留下一個(gè)分身，這個(gè)就是跟孫悟空分身術(shù)不一樣的地方。這個(gè)事情本身可以通過(guò)一個(gè)雙縫實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。有這么兩個(gè)一模一樣的狹縫，我們有一桿槍不停地發(fā)出電子，那么電子會(huì)同時(shí)穿過(guò)這兩個(gè)狹縫，而在背后留下一個(gè)相應(yīng)的干涉條紋。

但如果我們有一個(gè)裝置可以去看，這個(gè)電子是從哪個(gè)狹縫過(guò)的時(shí)候，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每一次它只從其中一個(gè)過(guò)，而在后面留下兩條杠。沒(méi)有觀(guān)測(cè)的時(shí)候，它是同時(shí)穿過(guò);有觀(guān)測(cè)的時(shí)候，它只從一個(gè)地方穿過(guò)，兩種狀態(tài)并行，這個(gè)就是量子疊加原理。再舉一個(gè)形象的例子，假設(shè)我就是一個(gè)量子，我下班回家有兩條路，一個(gè)是鮮花市場(chǎng)，一個(gè)是海鮮市場(chǎng)，每天我下班回家，我開(kāi)著自己的車(chē)，相當(dāng)于我對(duì)自己進(jìn)行個(gè)測(cè)量。

那么，我就很清楚，我是從哪條路回家的?；氐郊依?，我太太也很清楚因?yàn)樗勔幌挛揖椭溃绻沂菑孽r花市場(chǎng)，那么我身上都是香的;如果我身上全是魚(yú)腥味，那么就知道，我是從海鮮市場(chǎng)。但有天我非常累，我就打了個(gè)車(chē)回家，回到家以后，我太太問(wèn)我說(shuō)，今天你是從哪條路回來(lái)的呀？我說(shuō)不好意思，剛剛路上睡著了，我也不知道從哪條路上回來(lái)的。

你聞下我身上看看。她聞了一下發(fā)現(xiàn)好奇怪，怎么你身上一半是香的，一半是臭的，就好像我從兩條路同時(shí)過(guò)來(lái)了一樣，那么，這個(gè)就是量子的疊加原理。當(dāng)有人對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，它就只有一種狀態(tài)，如果沒(méi)有人對(duì)它測(cè)量的話(huà)，它是多種狀態(tài)并存。

當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)生活中，更大的可能，我是被那個(gè)出租車(chē)司機(jī)給坑了。這個(gè)是量子疊加原理。 如果把量子疊加原理合到多個(gè)量子的情況會(huì)是什么呢？那就是一個(gè)愛(ài)因斯坦稱(chēng)之為遙遠(yuǎn)距離詭異的相互作用的一個(gè)量子糾纏，它就像雙胞胎心靈感應(yīng)一樣，這兩顆**無(wú)論相距多遠(yuǎn)，擲出來(lái)的結(jié)果始終是一樣的。那么用剛剛那個(gè)量子分身的概念來(lái)講，就是說(shuō)，比如說(shuō)我和你糾纏在一起，每個(gè)人都有兩個(gè)分身在北京和上海，如果有人對(duì)我進(jìn)行了測(cè)量，那么我們知道有個(gè)分身會(huì)消失，那么你的分身會(huì)怎么樣呢？我可以告訴大家的是，你的分身也會(huì)消失。

比如我上海的分身消失了，只留下北京的分身，那我就知道，而且必然會(huì)發(fā)生的事情，就是你在上海的分身也會(huì)消失，只留下北京的分身，這就是量子糾纏。 有了量子糾纏，量子隱形傳輸?shù)母拍钜簿秃糁?。如果我們想把北京的量子傳送到上海，那怎么辦呢？我現(xiàn)在北京和上海之間建立這樣的糾纏，然后我通過(guò)對(duì)兩地的粒子，做一些特殊的操作，那么在北京的量子就會(huì)消失出現(xiàn)在上海。 有了量子疊加原理和量子糾纏，那么我們到底有些什么用呢？首先一個(gè)應(yīng)用就是計(jì)算機(jī)的一個(gè)飛躍，因?yàn)槲覀冎?，我們?jīng)典的計(jì)算機(jī)中，它只有 0 和1，每個(gè)比特都是這兩種狀態(tài)，但在我們的量子中可以處在 0 和 1 的疊加狀上，那么這樣我一旦操縱的量子數(shù)目增多，它就會(huì)以指數(shù)增長(zhǎng)的形式來(lái)提升它的運(yùn)算速度，有這么個(gè)并行運(yùn)算……>> 量子為什么會(huì)糾纏 這個(gè)我也不是特別會(huì)，中科大潘建偉的量子信息組最近剛做出的八光子糾纏，我也簡(jiǎn)單了解了一下。

可以這么說(shuō)吧，糾纏態(tài)是需要你去制備的，自然界里的粒子基本都是雜亂無(wú)章的混態(tài)，是不含有信息的。然而通過(guò)一些方法和設(shè)備能夠讓一些粒子糾纏（這個(gè)我也不懂，你可以找潘建偉的文章來(lái)看）。這個(gè)過(guò)程卻是挺妙的，因?yàn)橥ǔＮ覀兾锢碛^(guān)測(cè)手段都是讓粒子從糾纏態(tài)坍縮。 一旦糾纏了就可以傳輸信息，比如兩個(gè)粒子糾纏，糾纏后你讓它們一個(gè)在北京，一個(gè)在上海（這樣在空間上已經(jīng)不再糾纏，但自旋空間上的糾纏還存在）。

這是你就可以控制讓其中一個(gè)自旋向上，那么與此同時(shí)另一個(gè)就會(huì)自旋向下（或者上，看你制備的糾纏態(tài)是什么樣的了)，自旋下和上可以看成是計(jì)算機(jī)里定0和1,這樣八對(duì)糾纏的粒子就會(huì)瞬間完成一個(gè)Byte的信息的傳輸，這傳輸速度是驚人的，可以說(shuō)是不需要時(shí)間，對(duì)空間和材料用量也極其節(jié)省，可以說(shuō)一旦量子信息的技術(shù)能投入使用，信息技術(shù)就會(huì)又一次質(zhì)的飛躍。而難點(diǎn)估計(jì)就是糾纏態(tài)的制備了，這也是為什么潘建偉有可能會(huì)成為大陸地區(qū)**個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的原因。 量子信息的全部?jī)?nèi)容比這個(gè)要復(fù)雜的多。

很多東西我都只是聽(tīng)說(shuō)，不敢保證一定對(duì)，還望海涵 能否通俗地解釋一下，什么是量子糾纏？ 人要看見(jiàn)東西需要光，但是針對(duì)微觀(guān)粒子而言，你一用觀(guān)測(cè)光照它，它就不是原來(lái)狀態(tài)了，所以不可能直接觀(guān)測(cè)到。 它結(jié)果變得和觀(guān)測(cè)者的狀態(tài)有關(guān)了，所以糾纏在一起。 量子糾纏是什么？ 通俗模式： 前面的回答已經(jīng)很精彩了，我再稍微補(bǔ)充一點(diǎn)，因?yàn)殛P(guān)于量子糾纏的比喻有很多。

中科大量子信息實(shí)驗(yàn)室的老大郭光燦院士曾經(jīng)打過(guò)一個(gè)比方比喻量子通信，說(shuō)在美國(guó)的女兒生下孩子那一瞬間，遠(yuǎn)在**的母親就變成了姥姥，即便她自己還不知道。之所以她是姥姥別人不是，而且她一定會(huì)成為姥姥，就是因?yàn)樗团畠褐g有一種“糾纏”關(guān)系。@Ivony 打的比方的重點(diǎn)是：“出兵的只有張遼和司馬懿”，這句話(huà)相當(dāng)于把張遼和司馬懿“糾纏”到了一塊，如果沒(méi)有這句話(huà)，量子糾纏的意義就解釋不清了。 高深模式 通過(guò)量子比特和EPR佯謬就能差不多理解量子糾纏的概念了吧。

1）量子比特：在經(jīng)典信息系統(tǒng)中，信息單元是以一個(gè)位或者比特（bit）作為信息單元的。從物理學(xué)角度講，比特是一個(gè)兩態(tài)系統(tǒng)，如是或非、真或假、0或1等。在量子信息系統(tǒng)中，常用量子位或量子比特（qubit）表示信息單元，量子比特是兩個(gè)邏輯態(tài)的疊加態(tài)。

（疊加態(tài)的介紹詳見(jiàn)@譚永 的回答） 經(jīng)典比特和量子比特的不同之處在于，它只能處于或，而量子比特可以處于和的任意疊加態(tài)。所以說(shuō)，一個(gè)量子比特可以攜帶的信息量，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)經(jīng)典比特?cái)y帶的信息，也就能理解為什么量子計(jì)算機(jī)的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)了。 2）EPR佯謬：”EPR佯謬“是Einstein, Podolsky and Rosen（愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森）三人提出的一個(gè)假想實(shí)驗(yàn)。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本思想是：考慮一個(gè)由兩個(gè)粒子A和B(稱(chēng)為EPR對(duì))組成的復(fù)合系統(tǒng)，初始時(shí)它們的總自旋為零，各自的自旋為，隨后兩個(gè)兩個(gè)粒子沿相反方向傳輸，在空間上分開(kāi)。

若單獨(dú)測(cè)量A(或B)的自旋，則自旋向上(或向下)的可能概率為1/2，但若已測(cè)得粒子A自旋向上(或向下)，那么粒子B不管測(cè)量與否，必然會(huì)處在自旋向下(或向上)的本征態(tài)上。 愛(ài)因斯坦等人認(rèn)為：如果兩個(gè)粒子分開(kāi)足夠遠(yuǎn)，對(duì)**個(gè)粒子的測(cè)量就不會(huì)影響第二個(gè)粒子。EPR佯謬正是基于這種定域論的觀(guān)點(diǎn)提出的。

然而玻爾則持完全不同的看法，他認(rèn)為粒子A和B之間存在著量子關(guān)聯(lián)，不管它們?cè)诳臻g上分開(kāi)多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子實(shí)施局域操作，必然同時(shí)導(dǎo)致另一個(gè)粒子狀態(tài)的改變，這就是量子力學(xué)的非局域性。隨著量子光學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的理論和實(shí)驗(yàn)支持了玻爾的看法，否定了EPR的觀(guān)點(diǎn)。也就是說(shuō)，量子糾纏是存在的，它和空間時(shí)間都沒(méi)關(guān)系。 在量子力學(xué)理論中，人們習(xí)慣上將前面提到的半自旋粒?。

軟比特是什么意思

量子計(jì)算使用量子比特(qubit)計(jì)算和描述，是軟比特，而不是硬比特，量子比特是一種概率而不是確定的0或1。量子計(jì)算的結(jié)果，測(cè)量時(shí)存在一定障礙，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，測(cè)量本身就會(huì)對(duì)量子計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生影響。

可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果被破壞。

目前和未來(lái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決：整數(shù)分解，離散對(duì)數(shù)，量子模擬，量子建模等許多問(wèn)題。量子計(jì)算具有很大的潛力。