量子比特

发布网友发布时间：2022-05-13 20:26

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热心网友时间：2023-10-25 23:29

在经典图灵机模型中，储存经典信息的基本单位叫做比特。它是一个二进制变量，其数值一般记做二进制的 0 或者 1。一个比特要么是 0，要么是1，正如向空中抛起一枚硬币，那么它落下后要么正面朝上，要么反面朝上。我们用二进制的比特理论上可以储存任何信息，最简单的，像储存十进制整数就可以利用二进制和十进制的转换。3=11， 4=100， 50=110010 等等。当然，非整数也是可以写成二进制的形式，像 5.5=101.1，也就是说任意实数都可以按精度要求用二进制来表示。而在电子学中，很多器件是非常适合二进制表示的，像电压的高低和开关，电容器的带电荷与否等等，都可以来作为一个比特的载体。但在量子世界，一切都发生了改变。一个量子的硬币不仅可以正面或反面朝上，它甚至可以同时正反面都朝上，在你观测它之前。著名的薛定谔的猫就是这个道理，这只猫在开箱子，也就是观测之前，它又是死的又是活的，处于生和死的叠加态 (superposition state)上。正是叠加性这个奇妙的性质引出了量子比特 (quantum bit, qubit) 的概念。
（百度知道里不方便输入公式，更详细的介绍见量子研究网站：quantum-study.com/article/795/21.html）
在物理实现上，原则上具有叠加性质的两态量子系统都适用做qubit。目前的实验室里，像核磁共振中处于磁场中的自旋 1/2 粒子 (自旋向上和向下)，空腔中的原子的态 (原子的基态和激发态)，超导结之间隧穿的库珀对 (Cooper pairs处于一个结和另外一个结时)，都可以被用作 qubit。当然，如果一个硬币可以同时向上和向下也是可以的，在量子随机行走中我们就会看到这种量子硬币(quantum coin)。
现在我们可以回过头来在看一下经典计算机和量子计算机的差距，这次是存储容量上的。考虑一个简单的情况，我们要储存 45 个自旋 1/2 的粒子，这在量子系统中只是一个很小的体系，只需要 45 个 qubit 就可以实现。但如果我们要用经典计算机完成这个任务，约需要 245 个经典比特，也就是大概4 个 TB 的硬盘！这里有些典型的数据来跟它比较， 4TB 大概是 4000G 或者4000000M，而一部高清蓝光电影大概是 10G，一本书大概是 5M。另外一些比较有意思的数据是，美国国会图书馆的所有藏书总容量大概为160TB 或者说 50 个 qubit，而 2007 年人类所拥有的信息量总和为 2.2 × 109 个 TB，也仅相当于 71 个 qubit 的存储容量。

热心网友时间：2023-10-25 23:30

和经典比特有一个状态—0或者1相似，量子比特也有一个状态，量子比特的两个状态可以表示为∣0〉和∣1〉.它们分别对应的是经典比特中的0和1，记号∣〉成为“Dirac”记号，在量子力学中表示状态。经典比特和量子比特的区别在于，量子比特的状态可以落在∣0〉和∣1〉之外。量子比特可以是状态的线性组合，常称为叠加态，例如∣φ〉=α∣0〉+β∣1〉，其中α和β是复数。换句话说，量子比特的状态是二位复向量空间中的向量。