什么是量子比特?

作者: 文小刚

来源: 返朴

发布日期: 2022-10-04 18:18:31

本文详细介绍了量子比特的概念及其在量子通讯和量子计算中的应用,探讨了量子力学的诡异性和量子存在的概念,以及量子比特的叠加态和复数系数的意义。

比特,是一个有0,1两个取值的东西。任何任何一个物体,如果它存在两种不同的状态,那么我们就可以用这两种不同的状态来实现一个比特。比特是信息的基本单位,是数字通讯数字计算机中的主角。我们现在所经历的信息革命,如手机、微信、WiFi、电视等等,就靠它了。

量子比特是量子信息的基本单元,是量子通讯量子计算中的主角。它的量子性质造就了量子通讯和量子计算的神奇。有人甚至认为量子比特是组成世间万物的基本构件。可量子比特到底是个什么东西?它到底神奇在什么地方?

量子力学是一个很诡异的理论,即使是专家都不敢说懂。量子论的一个创始人玻尔(Niels Bohr)说过:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”大物理学家费曼也说:“我想我可以有把握地讲,没有人懂量子力学!”量子力学为什么这么诡异?因为量子力学告诉我们“存在”这一理解世界的根本概念,并不是像我们想象的那么简单。我们知道物理的研究对象是世界上各种各样的存在。到底什么是“存在”?

我们每个人都觉得自觉得自己知道这个简单的概念。但我们头脑中固有的这个“存在”的观念,其实是一个经典观念。这个经典存在观念,是在我们对宏观世界的观测中总结抽象出来的。但是,在研究观测微观世界时,我们发现这个经典的存在观念,和微观世界的实验观察完全不吻合。我们必须重新反思,在我们这个世界中“存在”到底是一个什么东西?是一个什么概念?

我们发现,我们必须引入一个新概念:量子存在,来描写我们世界中的真实存在。这就是量子力学给我们带来的根本性的革命——它彻底了改变了我们的世界观。

量子比特不仅仅是0和1两个态,还有它们的任意叠加态:|ψ〉= ψ0|0〉+ ψ1|1〉。这里ψ0和ψ1是两个复数,被称为叠加系数。我们发现一个量子比特可以有无穷多个不同的状态,这些状态由两个复数ψ0和ψ1来刻画。当然这无穷多个态大多都不是相互排斥的。我们最多有两个相互排斥的态,如|0〉和|1〉,|0〉+|1〉和|0〉-|1〉,等等。

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