量子比特：量子信息的最小单位 | 量子世界地图

导语

量子比特（qubit）是比特的量子对应物，是量子信息的载体。从原子到光子再到超导电路，各种物理系统都可以对量子比特进行编码。

2022年诺贝尔物理学奖授予了关于量子信息科学的基础性研究。一百多年前，量子革命为我们带来了晶体管和激光，今天，基于量子信息的新技术正在让我们进入一个新的量子信息时代。但到底什么是量子？什么是量子纠缠？量子计算和量子通信可以做什么？量子的世界常常让人感觉神秘而艰涩，为了帮助更多人领略量子世界的魅力，一个名为 The Quantum Atlas 的项目以图文并茂的方式，系统地介绍量子世界的基本概念。集智俱乐部对这些概念进行了翻译，希望可以为大家提供一张粗略的量子世界地图。

关键词：量子信息

The Quantum Atlas | 来源

刘志航 | 译者

邓一雪 | 编辑

物理学家、数学家和哲学家已经花了一个多世纪的时间来探索量子世界，并努力解决其怪异之处。最近，许多学科的研究者已经开始利用这些奇怪的特性来制造新型传感器、网络和计算机。这些设备的驱动力来自于违反直觉的量子物理规则，它们将以新的方式处理信息，与数字电子电路截然不同。

所有这些量子技术的基础，是一种根本上不同的存储和操纵信息的方式。现代计算机和智能手机利用比特，而量子设备依靠量子比特（quantum bits, qubits）。

区别远不止是名字本身。比特就像开关：它们可以是开或关，上或下，0 或 1。然而，量子比特可以具有无限多的不同值——更像是调光器旋钮，而不是简单的开关。量子比特还可以存储叠加态，这类似于一个同时处于上和下状态的开关。

为了理解量子比特与比特有多么不同，我们可以思考一下它们各自所能容纳的可能数值的“空间”。对于比特来说，这个空间很简单，只有两个点：一个点代表 0，另一个代表1 。任何给定的比特都处于其中一个。

量子比特则要有趣得多。与普通比特位于一个只有两点的空间不同，量子比特处在球体的表面上。指定一个量子比特的值就像在地球表面指定一个位置一样。你提供一个纬度和经度，这就在一个抽象的地球上确定了一个独特的位置。

这个地球的南北两极通常被单独挑出来，称为0和1 ，对应于普通比特的两个值。但这两个极点有更大的意义，不仅仅是标签。尽管一个量子比特可以位于球上的任何地方，但测量总会让它停留在两个极点中的一个。

这意味着量子比特的测量只能提供一比特的信息，即它是在北极还是在南极，不管量子比特在测量之前的位置在哪里。但之前的位置仍然很重要。低纬度的量子比特更有可能在南极被发现，而高纬度的量子比特更有可能在北极被发现。另一方面，位于赤道的量子比特在两极有同样的可能被发现。

各种物理系统都可以用来编码量子比特，就像存在许多不同的媒介来存储比特一样，只不过科学家需要把目光投向晶体管和磁盘之外的新型量子硬件。光子的极化、电子的自旋或通过超导环路的磁场，都是被用来存储量子比特的物理系统，每一种都有其优点和缺点。在实验室中创建真正的量子比特需要对这些不同的平台有详细了解，但量子比特的抽象概念——量子态的球体——使科学家在研究量子计算机和其他信息处理设备时能够对它们一视同仁。