什么是量子比特?（什么叫量子科技?和比特币的关系）

量子比特是什么？对物理学研究有什么影响？

我们将与科技谈话者讨论量子计算。

首先，量子计算机何以成为量子计算机。我将让科技谈话者来解释一下。

科技谈话者：它指的是量子……咄！好吧，但说真的，普通计算机使用储存在晶体管中的二进制数字（1和0）处理数据。它使用二进制数字来执行指令、储存图片、播放音乐、查看Facebook，做几乎所有你能想到的事情。量子计算机以量子比特或者说量子二进制数字的形式储存数据。量子比特很难捉摸，因为既可能是0，1，也有可能二者皆有。

量子计算让编程和数学领域出现一些振奋人心的事情成为可能。

量子二进制数字或者量子比特之所以表现为这样是因为一种叫作态叠加的原理。态叠加原理是量子计算背后的核心法则。我们在讨论态叠加时，通常会用到电子这一例子。电子具有自旋的特性，旋转的方向既可能是向上也可能向下。然而，根据量子力学理论，电子不仅能向上或向下旋转，它还具有一种综合两种状态而任意线性组合的旋转形式。线性组合意味着它可以同时具有向上旋转的状态也有向下旋转的状态。

奇怪之处在于，当一个观察员看到电子向上旋转的时候，另一个观察员可能会看到电子向下旋转。即使两个观察员精确地在同一时刻观察电子，这些观测差异仍然存在——这一事实意味着在量子力学中，我们认为电子同时具有这些旋转形式。我们将其称之为属性态叠加。

这对量子力学意义重大，因为正如科技谈话者所言，普通计算机使用一个位（1或0）来处理数据，所以一台8位计算机能在任何给定的时间处理1至256种状态中的任意一种。而利用态叠加状态的量子计算机则可以同时处理256种状态。这意味着，对某种（尽管不是全部）算法而言，量子计算机将带来计算能力的巨大飞跃。

那么量子比特究竟是什么呢？

正如一台常规计算机通过各种各样的方式（例如在硬盘、DVD和内存芯片上存储二进制数字的不同方式）代表一个常规的位一样，一个量子比特也能通过不同的东西来代表。如我所提到的，电子、光子和原子核都是很好的量子比特。事实上，任何具有量子特性的物体都可以用作量子比特。这里你能看到一个完整的清单。

量子纠缠告诉我们，两个粒子互相联接时，如果你弄清其中一个粒子的状态，你马上就能知道另一个粒子的状态。

科技谈话者：量子计算机通过态叠加的分解进行一些有趣的计算，这些计算普通计算机很难完成。例如，普通计算机很难找出质数的因子，所以几乎所有的密码术都会用到某种形式的大型质数或者单向函数，以此保护数据安全。

目前，因为每个量子比特能同时以所有状态存在，你可能好奇这些东西是如何储存信息的。为了实现储存，我们需要利用量子理论的另一个特性——量子纠缠。

量子纠缠告诉我们，两个粒子互相联接时，如果你测量其中一个粒子的状态，你立刻也能知道另一个粒子的状态，不管这两个粒子距离多么遥远。这在量子计算中有几个影响，其中最重要的影响之一就是它能让我们把量子计算机的量子比特缠绕起来，这样，一旦我们知道其中一个的状态，我们就能知道其他所有量子的状态。

因此遵循着这两条法则，量子计算机能够迅速地执行计算——极其迅速得计算那些过去被认为是不可能在合理的时间内解决的难题。例如，一台运用恰当算法的量子计算机可以相对轻易地破解牢固的密码。因此我们离用量子计算机取代智能手机还有多远？

科技谈话者：现在还不必担心。目前为止，我们的量子计算机还处于用几个量子比特进行简单计算的阶段。然而，在将来，这将给科技带来一些十分有趣的改变！

总结

所以这就是量子计算。

如果你感到有些疑惑，别担心。即使是在量子计算领域的重要科学家也发现，它无法仅靠直觉来领悟。尼尔斯·玻尔说：“那些第一次听到量子理论而没被震惊的人，可能还没能理解它。”理查德·费曼说，“我可以很有把握地说还没有人能理解量子力学。”

量子比特和经典比特的区别

在量子计算中，作为量子信息单位的是量子比特，量子比特与经典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。

由于量子比特具有量子性，因此量子比特包含信息更多，且有望实现更快的计算速度。

量子比特

在经典图灵机模型中，储存经典信息的基本单位叫做比特。它是一个二进制变量，其数值一般记做二进制的 0 或者 1。一个比特要么是 0，要么是1，正如向空中抛起一枚硬币，那么它落下后要么正面朝上，要么反面朝上。我们用二进制的比特理论上可以储存任何信息，最简单的，像储存十进制整数就可以利用二进制和十进制的转换。3=11， 4=100， 50=110010 等等。当然，非整数也是可以写成二进制的形式，像 5.5=101.1，也就是说任意实数都可以按精度要求用二进制来表示。而在电子学中，很多器件是非常适合二进制表示的，像电压的高低和开关，电容器的带电荷与否等等，都可以来作为一个比特的载体。但在量子世界，一切都发生了改变。一个量子的硬币不仅可以正面或反面朝上，它甚至可以同时正反面都朝上，在你观测它之前。著名的薛定谔的猫就是这个道理，这只猫在开箱子，也就是观测之前，它又是死的又是活的，处于生和死的叠加态 (superposition state)上。正是叠加性这个奇妙的性质引出了量子比特 (quantum bit, qubit) 的概念。

（百度知道里不方便输入公式，更详细的介绍见量子研究网站：quantum-study.com/article/795/21.html）

在物理实现上，原则上具有叠加性质的两态量子系统都适用做qubit。目前的实验室里，像 核磁共振中处于磁场中的自旋 1/2 粒子 (自旋向上和向下)，空腔中的原子的态 (原子的基态和激发态)，超导结之间隧穿的库珀对 (Cooper pairs处于一个结和另外一个结时)，都可以被用作 qubit。当然，如果一个硬币可以同时向上和向下也是可以的，在量子随机行走中我们就会看到这种量子硬币(quantum coin)。

现在我们可以回过头来在看一下经典计算机和量子计算机的差距，这次是存储容量上的。考虑一个简单的情况，我们要储存 45 个自旋 1/2 的粒子，这在量子系统中只是一个很小的体系，只需要 45 个 qubit 就可以实现。但如果我们要用经典计算机完成这个任务，约需要 245 个经典比特，也就是大概4 个 TB 的硬盘！这里有些典型的数据来跟它比较， 4TB 大概是 4000G 或者4000000M，而一部高清蓝光电影大概是 10G，一本书大概是 5M。另外一些比较有意思的数据是，美国国会图书馆的所有藏书总容量大概为160TB 或者说 50 个 qubit，而 2007 年人类所拥有的信息量总和为 2.2 × 109 个 TB，也仅相当于 71 个 qubit 的存储容量。

你知道什么是量子吗？你知道什么是量子比特?吗？

下面这句话，用的就全是专业概念：“基于量子叠加原理，一个量子比特可以同时处于0状态和1状态。” 　说得明确一点就是，n个量子比特能存储2的n次方个比特的信息。奇妙的是，说这番话的不是民科，而是2016年以来大火的《宝宝的物理学》系列的作者克里斯·费利（Chris Ferrie）博士。这是他在《宝宝的量子信息学》里写的。他甚至还做了一个幽默的比喻：为了存储我最喜欢的一个分子（咖啡因）的信息，就需要地球上所有的手机！ 

下面我们来从头解释起。

量子比特是什么？ 

“比特”是计算机科学的基本概念，指的是一个体系有且仅有两个可能的状态，一般用“0”和“1”来表示。典型的例子，如硬币的正、反两个面或者开关的开、关两个状态。

但在量子力学中，有一条基本原理叫做“叠加原理”：如果两个状态是一个体系允许出现的状态，那么它们的任意线性叠加也是这个体系允许出现的状态。

现在问题来了，什么叫做“状态的线性叠加”？为了说清楚这一点，最方便的办法是用一种数学符号表示量子力学中的状态，就是在一头竖直一头尖的括号“|”中填一些表示状态特征的字符。这种符号是英国物理学家狄拉克发明的，称为“狄拉克符号”。 　在量子信息中，经常把两个基本状态写成|0和|1。而|0和|1的线性叠加，就是a|0 + b|1，其中a和b是两个数，这样的状态称为“叠加态”。“线性”意味着用一个数乘以一个状态，“叠加”意味着两个状态相加，“线性叠加”就是把两个状态各自乘以一个数后再加起来。

现在，你明白“一个量子比特可以同时处于0状态和1状态”是什么意思了吧？它实际是说，量子比特可以处于|0和|1的叠加态。在一个时刻只会处于一个这样的确定的状态，既不是同时处于两个状态，也不是迅速在两个状态之间切换，也不是处于一个不确定的状态，更不是时空分裂。

不得不说，“同时处于0状态和1状态”是一个很容易令人糊涂的说法，好像禅宗的打机锋，远不如旋钮的比喻清楚易懂。更糟糕的是，读者可能会以为自己懂了，然后胡乱引申，造成更大的误解。在科普文章中，类似这样的令人似懂非懂的说法太多了，简直是遍地陷阱。

那么，为什么许多人言之凿凿地说，n个量子比特包含2的n次方个比特的信息？

要让这句话有意义，关键在于：把a|0 + b|1中的a和b这两个系数，当作两个比特的信息。这当然不是个严格的说法，因为把连续变量和离散变量混为一谈了。不过只要你姑且接受这种表述，你就可以明白，他们实际想说的是，“n个量子比特包含2的n次方个系数”，这就是正确的了。

这是怎么算出来的？

对于一个量子比特，n = 1，体系可以取的状态是a|0 + b|1，有a和b两个系数，系数的个数等于2的1次方。

对于两个量子比特，n = 2，体系可以取的状态是……是什么？

你也许会觉得，第一个量子比特的状态是a1|0 + b1|1，第一个量子比特的状态是a2|0 + b2|1，总共有4个系数。

错了！按照这种方式，当你有第三个量子比特时，只是增加a3|0 + b3|1的两个系数，总共有6个系数。广而言之，每个量子比特提供两个系数，所以n个量子比特包含的系数个数就是2n，怎么会是2的n次方呢？

真正的关键在于，对于多量子比特的体系，基本的描述方式并不是“第一个量子比特处于某个态，第二个量子比特处于某个态……”，而是“系统整体处于某个态”。

系统整体可以处于什么态呢？再次回忆叠加原理（敲黑板）！是的，叠加原理对多粒子体系也适用。 所以，我们要做的就是找出多粒子体系可以处于的基本状态，而这些多粒子基本状态是由单粒子的|0态和|1态组合而成的。下面我们来看这些基本状态。

首先，你可以让每一个量子比特都处于自己的|0态，这时系统整体的状态是所有这n个|0态的直接乘积（称为“直积”），可以简写为|000…，狄拉克符号里有n个“0”。

然后，在这个态的基础上，你可以让第一个量子比特变成自己的|1态，这时系统整体的状态是|100…，这也是一个直积态。

然后，在|000…的基础上，你可以让另一个量子比特（比如说第二个）变成自己的|1态，这时系统整体的状态是|010…。这样，你可以走遍所有的由n-1个“0”和1个“1”组成的字符串。

然后，在|000…的基础上，你可以让两个量子比特变成自己的|1态。这样，你可以走遍所有的由n-2个“0”和2个“1”组成的字符串。

这个过程继续下去，最终你会把所有的量子比特都变成自己的|1态，得到由n个“1”表示的|111…这个态。在这个过程中，你得到了所有的由“0”和“1”组成的长度为n的字符串。

这样的态总共有多少个呢？第一位有2种选择，第二位也有2种选择，一直到第n位都是2种选择。所有这些选择乘起来，就是2的n次方种选择。注意是相乘，而不是相加。在高中学过排列组合、二项式定理的同学们，肯定都看明白了吧？

机智如我，早已看穿了一切。

顺便说一下，这样的一个n粒子状态，有可能可以表示成n个单粒子状态的乘积，这时我们称它为“直积态”，但更常见的是不能表示成n个单粒子状态的乘积，这时我们称它为“纠缠态”。作为一个简单的例子，二粒子体系的(|00 + |11) / √2就是一个纠缠态。你可以试着证明一下，很容易的~

什么是量子计算机？

由量子比特构成计算机被称为“量子计算机”。

传统数字计算机由二进制数字构成（0或1），而量子计算机是由量子比特构成。量子比特在某种程度上能够同时代表0和1（也就是所谓的量子叠加）。量子比特代表多重数值的能力让量子计算机的运算能力远超过传统计算机。

传统计算机由逻辑闸构建，这种晶体管组合能够以各种方式组合数字进行运算，但是这种构造对于编写程序的人来说大部分是看不见的。程序和算法并非按照逻辑闸进行编写的，而是使用了更高水平的概念。目前的量子算法在某种程度上对于电子工程师来说更熟悉，而非软件工程师。因为量子算法通常代表了量子回路，而不是更常用的程序语言概念。

近日微软公司宣称将开始下一个大动作：量子计算机。今年年底，微软公司计划公布一种全新的量子计算机语言，以及一种量子计算机模拟器。借助这些新技术，研发人员将能够研发和测试执行量子运算的量子程序。

上述文章就是科灵网介绍的什么是量子比特?和什么叫量子科技?和比特币的关系的详细回答，希望能够帮助到大家；如果你还想了解更多财经资讯知识，记得收藏关注我们。

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