什麼是量子位元?

這是量子運算中的基本資訊單位

量子位元說明

如同二進位位元是傳統運算中的基本資訊單位,量子位元是量子運算中的基本資訊單位。量子運算將推動醫療保健、能源、環境系統、智慧材料及其他方面的全新發現。

量子位元與位元的比較

量子位元會以多個可能狀態的疊加表示

量子位元使用疊加的量子力學現象,以達到兩個狀態的線性組合。傳統二進位位元只能是單一二進位值 (例如 0 或 1),這表示其只能處於兩個可能狀態的其中一種。不過,量子位元可以是 0、1,或是兩種狀態疊加中任何比例的 0 和 1,其中有特定機率為 0 及特定機率為 1。

疊加為量子電腦提供卓越的運算能力

疊加可讓量子演算法快速處理資訊,甚至比最快速的傳統系統解決特定問題所需的時間還要短。

  • 量子位元系統所能表示的資訊量呈指數增加。500 個量子位元所能輕易表示的資訊,即使是 2^500 個以上的傳統位元也無法達成。
  • 傳統電腦需要數百萬年的時間,才能求得 2,048 位數的質因數。量子位元可以在數分內完成計算。

量子位元的物理實作有很多種

傳統電腦使用的是我們熟悉的矽基晶片,而量子位元 (有時稱為「量子電腦的量子位元」) 則可能是由離子阱、光子、人造或實際原子或是準粒子所組成。視架構和量子位元系統而定,某些實作需要將其量子位元保持在接近絕對零度的溫度。

疊加、干涉和纏結

疊加可讓量子演算法運用其他量子力學現象,例如干涉和纏結。疊加、干涉和纏結共同打造的運算能力,能夠比傳統電腦更快解決問題。

干涉

疊加的結果是干涉。量子位元狀態可能會互相干涉,因為每個狀態都會以一個機率幅來描述,就像是波幅一樣。

建設性干涉會增強振幅,而破壞性干涉則會抵消振幅。這些效果會應用於量子運算演算法中,使其與傳統演算法截然不同。干涉會搭配纏結一起使用,以實現量子運算所承諾的量子加速。

糾纏

多個量子位元可能會顯示量子纏結。纏結的量子位元一律會相互關聯以形成單一系統。即使在這些量子位元相距無限遠的情況下,我們還是可以透過測量其中一個量子位元的狀態來了解另一個量子位元的狀態,而不需要直接進行測量。

任何量子運算都需要纏結,而且您無法在傳統電腦上有效率地執行纏結。其應用包括大型數字的因數分解 (秀爾演算法),以及求解搜尋問題 (格羅弗演算法)。

量子位元的未來

隨著量子技術的發展,我們也越來越能夠解決世界上一些最具挑戰性的問題。雖然這個新的架構有著驚人的可能性,但量子運算實際上才剛起步。

量子位元很脆弱

量子運算最大的障礙之一是量子位元的脆弱性質。量子位元系統與其環境的纏結 (包括測量設定) 可輕易擾亂系統並造成退相干。因此,目前仍在發展量子運算硬體建構和錯誤修正方法。

拓撲量子位元更穩定

為了解決脆弱性的挑戰,Microsoft 使用拓撲量子位元,藉由操作其結構,並以化合物環繞四周保護其免於外界污染,以保持穩定。由於準粒子拓撲特質,拓撲量子位元會受到保護,而不受雜訊干擾,讓 Microsoft 量子硬體更強固,不易受到錯誤影響。此更高的穩定性可協助量子電腦擴充,以完成更長、更複雜的運算,輕易就能解決更複雜的難題。

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