“脆弱”的量子比特，如何成為量子計算主心骨分析測試百科網wiki版

發布時間：2021-12-03 11:17 原文鏈接： “脆弱”的量子比特，如何成為量子計算主心骨

近來，有關量子計算的新聞不斷刷屏。量子計算機的突破，為我們描繪著更快、更強的未來計算場景。然而，對于大多數人來講，量子計算機依然是“不明覺厲”的存在。

我們可能會發現，表述量子計算機能力水平的一個重要參數是它的量子比特數。無論是我國66比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，還是近日IBM公司宣布制造出的127個量子比特的量子計算機，量子比特都是一個繞不開的概念。那么，究竟什么是量子比特？它為什么在量子計算中“舉足輕重”？提高量子比特數的難點又在哪？

“既死又活”的薛定諤貓

量子比特是量子計算機的基本信息單元。與常規計算機使用的非0即1的二進制碼不同，量子比特可同時以0和1的狀態存在。這種不確定性來源于物理學中的量子疊加：一個量子系統能同時存在于多個分離的量子態中。

想要進一步理解量子疊加，就不得不提及著名量子物理學家薛定諤的那只“既死又活”的貓。

薛定諤的貓其實是一個思想實驗。它假定一只貓被關在一個密閉房間內，房間里有一瓶裝著劇毒氣體的玻璃瓶，瓶上方有一個裝有放射性原子的盒子。放射性原子有一定概率發生衰變。盒里還有一個機關偵測放射性原子是否發生衰變。若發生了衰變，機關將控制一個錘子砸碎玻璃瓶，釋放出毒氣，從而使貓死亡。

但有一個問題出現了：假定關貓的盒子不透明且隔音，不打開盒子的話便無法知道貓的死活。如果問貓是死是活，怎么回答？不打開盒子的話只能推斷貓可能是死的，也可能是活的。

因此，現在盒子里關著一只“既死且活”的貓。雖然我們在實際生活中并不會遇到這樣的“幽靈貓”，但量子比特卻存在相似的情況。量子比特可以同時具有兩個或兩個以上的多重狀態（疊加態），這種現象就是量子疊加。

打破疊加態的方法是測量。例如，我們打開盒子后便知道了貓的生死。因為我們得到了確定的結果（非死即活），疊加態便不復存在，物理描述為疊加態坍縮到某一個量子態。這個打開盒子的過程就是測量。

量子計算機的計算過程便涉及通過測量量子比特，使其量子態坍縮為0或1。這就使得量子計算機與我們日常生活中接觸的計算機甚至是超級計算機都有著巨大差別。普通計算機每一比特（byte）僅能存儲兩種可能狀態：非0即1。但量子計算機不同。由于量子疊加，每個量子比特理論上可同時存儲0或1這兩種狀態，這使得量子比特擁有比比特更大的信息存儲能力。比如，由于2的8次方等于256，故具有8比特的二進制計算機能表示0到255之間的任一個數字。但具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數字。

量子計算機正是通過量子疊加實現同時存儲大量信息的功能。因此，它們可以在處理復雜任務時，快速存儲大量數據，探索多種可能并選擇最有效的解決途徑。

量子計算機搭建面臨巨大挑戰

量子比特的概念雖然抽象，但量子計算機并非虛幻。建造它們的理論基礎已搭建好，但是要實現它們，還要面臨一項艱巨的挑戰。

量子比特本質上是處于疊加態的亞原子粒子，如電子、被束縛的離子或光子。量子比特周圍環境的細微變化，比如振動、電場、磁場、宇宙輻射等，都可能向量子比特輸入能量，進而使疊加態坍縮，使量子比特失效。因此，量子比特需要密封在極冷、真空環境中以最大程度地避免任何干擾。這就是量子計算機的搭建面臨的巨大挑戰。

正是由于保持量子比特的疊加態是件非常困難的事，最微小的環境變化也可能導致疊加態的坍縮，造成計算錯誤。所以，目前世界上還沒能造出一臺沒有誤差、且用途廣泛的量子計算機。

量子計算機的巨大潛力，還與量子力學中的另一個著名概念“量子糾纏”有關，即各個量子比特可通過量子糾纏聯系在一起。

簡單而言，當兩個量子粒子糾纏在一起時，它們的量子態相同。改變任何一個粒子的量子態的任何屬性都將瞬間改變另一個粒子的狀態，即便二者相隔千山萬水。愛因斯坦將這種無處逃脫的聯系稱為“幽靈般的超距作用”。

互相糾纏的量子比特不僅能加密即時信息傳遞，還可讓量子計算機的性能呈指數級增長。比如，具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數字，這只是8量子比特獨立存在的情況。如果它們互相糾纏起來，或者和其他量子比特糾纏……整個糾纏的系統所能表示的數字將遠遠超出人們的想象。