量子比特：量子信息的最小單位 | 量子世界地圖

導語

量子比特（qubit）是比特的量子對應物，是量子信息的載體。從原子到光子再到超導電路，各種物理系統都可以對量子比特進行編碼。

2022年諾貝爾物理學獎授予了關於量子信息科學的基礎性研究。一百多年前，量子革命爲我們帶來了晶體管和激光，今天，基於量子信息的新技術正在讓我們進入一個新的量子信息時代。但到底什麼是量子？什麼是量子糾纏？量子計算和量子通信可以做什麼？量子的世界常常讓人感覺神秘而艱澀，爲了幫助更多人領略量子世界的魅力，一個名爲 The Quantum Atlas 的項目以圖文並茂的方式，系統地介紹量子世界的基本概念。集智俱樂部對這些概念進行了翻譯，希望可以爲大家提供一張粗略的量子世界地圖。

關鍵詞：量子信息

The Quantum Atlas| 來源

劉志航| 譯者

鄧一雪|編輯

物理學家、數學家和哲學家已經花了一個多世紀的時間來探索量子世界，並努力解決其怪異之處。最近，許多學科的研究者已經開始利用這些奇怪的特性來製造新型傳感器、網絡和計算機。這些設備的驅動力來自於違反直覺的量子物理規則，它們將以新的方式處理信息，與數字電子電路截然不同。

所有這些量子技術的基礎，是一種根本上不同的存儲和操縱信息的方式。現代計算機和智能手機利用比特，而量子設備依靠量子比特 （quantum bits, qubits） 。

區別遠不止是名字本身。比特就像開關：它們可以是開或關，上或下，0 或 1。然而，量子比特可以具有無限多的不同值——更像是調光器旋鈕，而不是簡單的開關。量子比特還可以存儲疊加態，這類似於一個同時處於上和下狀態的開關。

爲了理解量子比特與比特有多麼不同，我們可以思考一下它們各自所能容納的可能數值的“空間”。對於比特來說，這個空間很簡單，只有兩個點：一個點代表 0，另一個代表1 。任何給定的比特都處於其中一個。

量子比特則要有趣得多。與普通比特位於一個只有兩點的空間不同，量子比特處在球體的表面上。指定一個量子比特的值就像在地球表面指定一個位置一樣。你提供一個緯度和經度，這就在一個抽象的地球上確定了一個獨特的位置。

這個地球的南北兩極通常被單獨挑出來，稱爲0和1 ，對應於普通比特的兩個值。但這兩個極點有更大的意義，不僅僅是標籤。儘管一個量子比特可以位於球上的任何地方，但測量總會讓它停留在兩個極點中的一個。

這意味着量子比特的測量只能提供一比特的信息，即它是在北極還是在南極，不管量子比特在測量之前的位置在哪裡。但之前的位置仍然很重要。低緯度的量子比特更有可能在南極被發現，而高緯度的量子比特更有可能在北極被發現。另一方面，位於赤道的量子比特在兩極有同樣的可能被發現。

各種物理系統都可以用來編碼量子比特，就像存在許多不同的媒介來存儲比特一樣，只不過科學家需要把目光投向晶體管和磁盤之外的新型量子硬件。光子的極化、電子的自旋或通過超導環路的磁場，都是被用來存儲量子比特的物理系統，每一種都有其優點和缺點。在實驗室中創建真正的量子比特需要對這些不同的平臺有詳細瞭解，但量子比特的抽象概念——量子態的球體——使科學家在研究量子計算機和其他信息處理設備時能夠對它們一視同仁。

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量子力學作爲現代物理學的兩大核心理論之一，成功描述了微觀物理體系的演化規律。量子概念的引入深刻地揭示了一系列與宏觀體系截然不同的物理機制，在近年來逐漸發展出了包含量子通信、量子計算、量子模擬、量子測量等量子信息科學的全新研究領域和方向。

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