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什么是量子比特?

量子比特是量子计算中的基本信息单位

量子比特介绍

正如二进制位是经典(或传统)计算的基本信息单位,量子比特(或量子位)是量子计算的基本信息单位。量子计算正在推动医疗保健、能源、环境系统、智能材料等领域的新发现。

量子比特与位

量子比特是由多种可能状态的叠加来表示的

量子比特利用叠加的量子力学现象来实现两种状态的线性组合。一个经典的二进制位只能表示一个单独的二进制值,例如 0 或 1,这意味着它只能处于两种可能的状态之一。然而,一个量子比特可以表示一个0、一个 1,或者 0 和 1 这两种状态组合的任意叠加,可能是一个 0 和一个 1。

叠加使量子计算机具有超强的计算能力

使用叠加,量子算法处理信息的时间比最快的经典系统解决某些问题的时间短得多。

  • 量子比特系统所能表示的信息量呈指数增长。500 个量子比特可以轻松表示的信息,甚至用超过 2^500 个经典位来表示也不可能实现。
  • 一个经典的计算机需要数百万年才能找到一个 2048 位数字的质因数。而量子比特可以在几分钟内完成计算。

量子比特有许多物理实现

在传统计算机使用熟悉的硅基芯片的地方,量子比特(有时被称为“量子计算机量子比特”)可以由捕获的离子、光子、人造原子或真实的原子,或者准粒子组成。根据体系结构和量子比特系统的不同,某些实现需要它们的量子比特保持在接近绝对零度的温度。

叠加、干涉和纠缠

叠加使量子算法能够利用其他量子力学现象,如干涉和纠缠。叠加、干涉和纠缠一起创造了计算能力,相比经典计算机,解决问题的速度呈指数增长。

量子干涉

叠加的结果就是干涉。量子比特的状态可以相互干涉,因为每个状态都由概率振幅来描述,就像波的振幅一样。

建设性干涉可增强振幅,而破坏性干涉可抵消振幅。量子计算算法中就应用了这些效应,因此它们与经典算法有着根本的不同。量子干涉和纠缠一起被用来实现量子计算所承诺的量子加速。

纠缠

多个量子比特可以展示量子纠缠。纠缠的量子比特总是相互关联,形成一个单一的系统。即使它们相距无限远,通过测量其中一个量子比特的状态,我们也可以知道另一个量子比特的状态,而不需要直接测量。

任何量子计算的过程都必须有量子纠缠,但纠缠不能有效地在经典计算机上执行。应用包括因数分解大的数字(Shor 算法)和解决搜索问题(Grover 算法)。

量子比特的未来

随着量子技术的进步,我们离找到一些世界上最具挑战性的问题的解决方案也越来越近了。虽然这种新范式具有不可思议的潜力,但量子计算仍处于起步阶段。

量子比特是脆弱的

量子计算中最重要的障碍之一是量子比特本身的脆弱性。量子比特系统与其环境(包括测量装置)相互纠缠,很容易使系统产生扰动,导致退相干。因此,目前正在改进量子计算的硬件建设和纠错方法。

拓扑量子比特更稳定

为了解决固有的脆弱性,Microsoft 使用拓扑量子比特,通过巧妙地处理其结构,并使用防止量子比特受外部干扰的化合物环绕量子比特,保持其稳定性。由于准粒子的拓扑特性,拓扑量子比特不再受到噪声的影响,这使 Microsoft 的量子硬件对错误变得更加稳健。这种稳定性的提高将帮助量子计算机完成更长更复杂的计算,从而实现更复杂的解决方案。

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