什么是量子位（qubit）？

量子位是量子计算机的基本构建模块，当安装到这些机器中时，它依靠量子力学的奇怪定律来并行处理计算。

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量子位，也称为量子位，是量子计算中数据的基本单位。就像经典计算机中的二进制位一样，它可以存储信息，但由于量子力学，其行为却截然不同。

量子计算机通常使用亚原子粒子，例如光子（光包）或电子作为量子位。在量子位中，电荷、光子偏振或自旋等属性代表二进制计算中的 1 和 0。然而，由于量子位的量子性质，量子位也会受到称为叠加和纠缠的现象的影响，这就是事情开始变得奇怪的地方。

比特与量子比特：有什么区别？

除了 0 或 1 之外，量子位还可以同时占据两种状态，或者 1 和 0 的叠加。量子位将保持叠加状态，直到它被直接观察到或被外部环境因素破坏，例如作为热量。由于这种量子态非常脆弱，因此必须使量子位免受干扰，这需要非常低的温度。

叠加允许量子计算机的量子位处于多种状态（0、1 或两者），并且可用状态的数量随着量子位的增加呈指数增长。例如，如果您有两个经典位，则在任何给定时间它们都可以采用 0,0; 0,0 中的任意一个值。 0,1; 1,0;或1,1。

使用两个量子位，您可以同时对所有四种状态的数据进行编码。因此，量子计算机可能比使用二进制位的传统计算机具有更大的处理能力。拥有的量子位越多，可以并行处理的计算就越多，如果向系统添加更多量子位，计算量会呈指数级增长。然而，要看到处理能力呈指数级增长，您还必须纠缠量子位。

纠缠如何运作？

在量子纠缠中，亚原子粒子的状态是相互联系的，无论它们相距多远。获得有关量子位的信息将自动提供有关其纠缠粒子的信息。

纠缠粒子始终处于相关状态。因此，如果测量一个粒子的一种性质（例如自旋），从而使其脱离叠加，那么同样的事情也会立即发生在纠缠粒子上。由于两个纠缠粒子的状态总是相关的，因此知道一个纠缠粒子的状态意味着可以推断另一个纠缠粒子的状态。

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科学家们正在研究是否有一种方法可以通过量子位与周围环境的相互作用来间接推断有关量子位的信息，而不是直接测量量子位，从而使其失去叠加态。

量子位的量子纠缠还允许它们同时相互作用，而不管它们彼此之间的距离如何。当与叠加相结合时，量子纠缠理论上可以使量子位大大增强量子计算机的计算能力，使它们能够执行强大的二进制计算机难以解决的复杂计算。

目前，这在小规模下是可能的，但挑战在于扩大规模。例如，一些计算，例如破解加密算法，需要传统计算机数百万年才能执行。然而，如果我们能够建造一台具有数百万量子位的量子计算机，那么这些相同的算法可以在几秒钟内被破解。

为什么量子位如此脆弱且容易退相干？

那么为什么我们不简单地堆叠越来越多的量子位来构建这样的机器呢？不幸的是，量子位的寿命很短，并且叠加态可能会因最微弱的外部环境影响（例如热量或运动）而崩溃。因此，它们被认为是“嘈杂”且容易出错的。

因此，许多量子位需要冷却至接近绝对零并使用专用设备进行维护。它们的“相干时间”也非常短，这是衡量它们保持处理量子计算所需状态的时间的标准。相干时间通常只有最后一秒。 （世界纪录是单个量子位 10 分钟，但专家认为它不太可能转化为真正的量子计算机。）这个因素也使得量子位不适合长期数据存储。

尽管当今存在许多量子计算机，但我们仍然需要对量子位应用“纠错”技术以信任其结果。目前正在研究的一种主要纠错方法是构建“逻辑量子位”。逻辑量子位实际上是一组纠缠的、容易出错的量子位，它们在不同的位置存储相同的信息。这会在计算过程中分散可能的故障点，从而纠正错误。如果量子位足够稳定，并且量子位的叠加和量子纠缠到位，量子计算机有一天可以用二进制计算机所需时间的一小部分来执行计算，并解决即使是今天的最强大的超级计算机。