每日科技名词|量子位

情毒

量子位

quantum-bit，qubit

定义：量子信息基本单元。按狄拉克方法，用|0〉（0态）、|1〉（1态）或它们的线性叠加表示，物理上对应一个双态量子系统。

学科：计算机科学技术_计算机交叉学科_量子计算与量子信息学

相关名词：比特 量子信息 量子计算机


2020年11月19日，上海，2020长三角国际文化产业博览会，本源量子，本源超导6比特量子处理器。图片来源：视觉中国

【延伸阅读】

0和1是电子计算机里最小的信息单位，称为“位”（比特，bit）。在电子计算机里，所有信息都是用0和1的不同排列方式来表示的。例如，字母“N”表示为“1001110”。1和0，实际上分别对应着电信号的“有”和“无”。开关闭合时有电信号，设为1；开关断开时没有电信号，设为0。

在量子计算机里，使用的是“量子位”（量子比特，qubit）。与电子计算机的比特（普通比特）不同，量子比特能同时表示0和1，也就是能表示0和1的叠加态。当对量子比特进行观测时，叠加态就会“崩溃”（坍缩），确定为0或者1。

我们假设有10个比特（即10位），那么从0000000000到1111111111之中，0和1的排列方式会有210（1024）种，但比特每次只能表示其中的一种排列（信息），例如“0110110001”。因为量子比特可以同时表示0和1，所以10量子比特通过叠加可以同时表示1024种排列。在叠加态下进行计算，就可以同时计算全部1024种排列。例如，用量子比特表示的1～1024乘某个数时，计算次数不是1024次，而是1次就能完成。这是量子计算机的计算速度远胜电子计算机的原因之一。

量子计算机的计算效率会随着量子比特数量的增加而呈指数增长。例如，有10个量子比特，可以同时计算210（1024）种排列；如果有30个量子比特，则可以同时计算230（1073741824）种排列。量子比特的数量是X，那么一次就可以同时计算2X种排列。

要表示量子比特，用传统的电信号“有”“无”的方法就不行了，而要利用其能够处于叠加态的特性。例如，电子的自旋可以处于顺时针和逆时针叠加的状态，将顺时针自旋设为0，逆时针自旋设为1，就可以用作量子比特了。与此类似，光子可以处于横向和纵向偏振的叠加状态，超导电路里的电流可以处于顺时针流动和逆时针流动的叠加状态，等等，它们都可以用来表示量子比特。