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量子比百科特

在經(jīng)典圖靈機模型中，儲存經(jīng)典信息的基本單位叫做比特。它是一個二進制變量，其數(shù)值一般記做二進制的 0 或者 1。

一個比特要么是 0，要么是1，正如向空中拋起一枚硬幣，那么它落下后要么正面朝上，要么反面朝上。

我們用二進制的比特理論上可以儲存任何信息，最簡單的，像儲存十進制整數(shù)就可以利用二進制和十進制的轉(zhuǎn)換。3=11， 4=100， 50=110010 等等。當然，非整數(shù)也是可以寫成二進制的形式，像 5.5=101.1，也就是說任意實數(shù)都可以按精度要求用二進制來表示。而在電子學中，很多器件是非常適合二進制表示的，像電壓的高低和開關(guān)，電容器的帶電荷與否等等，都可以來作為一個比特的載體。

但在量子世界，一切都發(fā)生了改變。一個量子的硬幣不僅可以正面或反面朝上，它甚至可以同時正反面都朝上，在你觀測它之前。**的薛定諤的貓就是這個道理，這只貓在開箱子，也就是觀測之前，它又是*的又是活的，處于生和*的疊加態(tài) (superposition state)上。

正是疊加性這個奇妙的性質(zhì)引出了量子比特 (quantum bit, qubit) 的概念。（百度知道里不方便輸入公式，更詳細的介紹見量子研究網(wǎng)站：quantum-study.com/article/795/21.html）在物理實現(xiàn)上，原則上具有疊加性質(zhì)的兩態(tài)量子系統(tǒng)都適用做qubit。目前的實驗室里，像核磁共振中處于磁場中的自旋 1/2 粒子 (自旋向上和向下)，空腔中的原子的態(tài) (原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài))，超導結(jié)之間隧穿的庫珀對 (Cooper pairs處于一個結(jié)和另外一個結(jié)時)，都可以被用作 qubit。

當然，如果一個硬幣可以同時向上和向下也是可以的，在量子隨機行走中我們就會看到這種量子硬幣(quantum coin)?，F(xiàn)在我們可以回過頭來在看一下經(jīng)典計算機和量子計算機的差距，這次是存儲容量上的?？紤]一個簡單的情況，我們要儲存 45 個自旋 1/2 的粒子，這在量子系統(tǒng)中只是一個很小的體系，只需要 45 個 qubit 就可以實現(xiàn)。

但如果我們要用經(jīng)典計算機完成這個任務(wù)，約需要 245 個經(jīng)典比特，也就是大概4 個 TB 的硬盤！這里有些典型的數(shù)據(jù)來跟它比較， 4TB 大概是 4000G 或者4000000M，而一部高清藍光電影大概是 10G，一本書大概是 5M。另外一些比較有意思的數(shù)據(jù)是，美國國會圖書館的所有藏書總?cè)萘看蟾艦?60TB 或者說 50 個 qubit，而 2007 年人類所擁有的信息量總和為 2.2 × 109 個 TB，也僅相當于 71 個 qubit 的存儲容量。

量子計算機的優(yōu)勢是什么？

把量子力學和計算機結(jié)合起來的可能性，是在1982年由美國**物理學家理查德·費因曼首次發(fā)現(xiàn)的。不久之后，英國牛津大學的物理學家戴維·多伊奇，于1985年初步闡述了量子計算機的概念，并指出，量子并行處理技術(shù)會大大提高傳統(tǒng)計算機的功能。

量子計算機最根本的優(yōu)勢在于，它是利用比分子更小的原子，作為最基本的數(shù)據(jù)單位來進行運算。

美國、英國和以色列等**，都先后開展了有關(guān)量子計算機的基礎(chǔ)研究。
雖然分子、光子和量子計算機的研究才剛剛起步，它們究竟具有什么樣的功能也并不清楚，但科學家們卻都充滿信心，各國**也非常支持他們的科研工作。在全世界的關(guān)注和支持下，這幾種新型計算機都將在未來一二十年內(nèi)，取得突破性進展，并以獨特的形象與我們見面。

量子比特與經(jīng)典比特有什么區(qū)別

通俗模式：前面的回答已經(jīng)很精彩了，我再稍微補充一點，因為關(guān)于量子糾纏的比喻有很多。

什么是量子糾纏?

量子糾纏是什么？ 20分天然存在的關(guān)系，例如你媳婦在美國生孩子了，不管他告訴你還是沒告訴你，你都已經(jīng)成為一個父親了，你兒子出生，和你成為父親，這兩件事就是一個糾纏，同時發(fā)生，不因距離，不因信息傳遞快慢而受影響！ **自然科學一等獎的“量子糾纏”到底是個啥說到量子世界，其實有兩個最基本的原理，就是量子疊加原理，而另外一個其實是由量子疊加原理引申出來的量子糾纏。首先我給大家介紹下量子疊加原理。

什么是量子疊加原理？舉個例子來說，《西游記》我想大家都看過吧!就算沒有看過原著，電視劇三十年如一日的重播，肯定也會看過，我從小也非常希望有孫悟空的一個能力，就是它的分身術(shù)，一個分身留在這里聽老師訓話上課，另外一個分身就跑出去搗蛋。

那么在量子的世界里，量子就是孫悟空，它也有分身術(shù)，但是跟孫悟空的分身術(shù)不一樣的地方在于，在量子的世界里量子的分身術(shù)不能被人看到，一旦有人去看它，它的分身就會隨機地消失，而**只留下一個。假設(shè)你在 ABC 三個地方有三個分身，如果有人不管在那個地方去看它，它有可能 AB 的分身消失，也有可能是 BC，也有可能是 AC，隨機的消失一個，而只留下一個分身，這個就是跟孫悟空分身術(shù)不一樣的地方。這個事情本身可以通過一個雙縫實驗來驗證。有這么兩個一模一樣的狹縫，我們有一桿槍不停地發(fā)出電子，那么電子會同時穿過這兩個狹縫，而在背后留下一個相應(yīng)的干涉條紋。

但如果我們有一個裝置可以去看，這個電子是從哪個狹縫過的時候，你就會發(fā)現(xiàn)，每一次它只從其中一個過，而在后面留下兩條杠。沒有觀測的時候，它是同時穿過;有觀測的時候，它只從一個地方穿過，兩種狀態(tài)并行，這個就是量子疊加原理。再舉一個形象的例子，假設(shè)我就是一個量子，我下班回家有兩條路，一個是鮮花市場，一個是海鮮市場，每天我下班回家，我開著自己的車，相當于我對自己進行個測量。

那么，我就很清楚，我是從哪條路回家的。回到家里，我太太也很清楚因為她聞一下我就知道，如果我是從鮮花市場，那么我身上都是香的;如果我身上全是魚腥味，那么就知道，我是從海鮮市場。但有天我非常累，我就打了個車回家，回到家以后，我太太問我說，今天你是從哪條路回來的呀？我說不好意思，剛剛路上睡著了，我也不知道從哪條路上回來的。

你聞下我身上看看。她聞了一下發(fā)現(xiàn)好奇怪，怎么你身上一半是香的，一半是臭的，就好像我從兩條路同時過來了一樣，那么，這個就是量子的疊加原理。當有人對它進行測量，它就只有一種狀態(tài)，如果沒有人對它測量的話，它是多種狀態(tài)并存。

當然，在現(xiàn)實生活中，更大的可能，我是被那個出租車司機給坑了。這個是量子疊加原理。如果把量子疊加原理合到多個量子的情況會是什么呢？那就是一個愛因斯坦稱之為遙遠距離詭異的相互作用的一個量子糾纏，它就像雙胞胎心靈感應(yīng)一樣，這兩顆**無論相距多遠，擲出來的結(jié)果始終是一樣的。那么用剛剛那個量子分身的概念來講，就是說，比如說我和你糾纏在一起，每個人都有兩個分身在北京和上海，如果有人對我進行了測量，那么我們知道有個分身會消失，那么你的分身會怎么樣呢？我可以告訴大家的是，你的分身也會消失。

比如我上海的分身消失了，只留下北京的分身，那我就知道，而且必然會發(fā)生的事情，就是你在上海的分身也會消失，只留下北京的分身，這就是量子糾纏。有了量子糾纏，量子隱形傳輸?shù)母拍钜簿秃糁?。如果我們想把北京的量子傳送到上海，那怎么辦呢？我現(xiàn)在北京和上海之間建立這樣的糾纏，然后我通過對兩地的粒子，做一些特殊的操作，那么在北京的量子就會消失出現(xiàn)在上海。有了量子疊加原理和量子糾纏，那么我們到底有些什么用呢？首先一個應(yīng)用就是計算機的一個飛躍，因為我們知道，我們經(jīng)典的計算機中，它只有 0 和1，每個比特都是這兩種狀態(tài)，但在我們的量子中可以處在 0 和 1 的疊加狀上，那么這樣我一旦操縱的量子數(shù)目增多，它就會以指數(shù)增長的形式來提升它的運算速度，有這么個并行運算……>> 量子為什么會糾纏這個我也不是特別會，中科大潘建偉的量子信息組最近剛做出的八光子糾纏，我也簡單了解了一下。

可以這么說吧，糾纏態(tài)是需要你去制備的，自然界里的粒子基本都是雜亂無章的混態(tài)，是不含有信息的。然而通過一些方法和設(shè)備能夠讓一些粒子糾纏（這個我也不懂，你可以找潘建偉的文章來看）。這個過程卻是挺妙的，因為通常我們物理觀測手段都是讓粒子從糾纏態(tài)坍縮。一旦糾纏了就可以傳輸信息，比如兩個粒子糾纏，糾纏后你讓它們一個在北京，一個在上海（這樣在空間上已經(jīng)不再糾纏，但自旋空間上的糾纏還存在）。

這是你就可以控制讓其中一個自旋向上，那么與此同時另一個就會自旋向下（或者上，看你制備的糾纏態(tài)是什么樣的了)，自旋下和上可以看成是計算機里定0和1,這樣八對糾纏的粒子就會瞬間完成一個Byte的信息的傳輸，這傳輸速度是驚人的，可以說是不需要時間，對空間和材料用量也極其節(jié)省，可以說一旦量子信息的技術(shù)能投入使用，信息技術(shù)就會又一次質(zhì)的飛躍。而難點估計就是糾纏態(tài)的制備了，這也是為什么潘建偉有可能會成為大陸地區(qū)**個諾貝爾獎獲得者的原因。量子信息的全部內(nèi)容比這個要復(fù)雜的多。

很多東西我都只是聽說，不敢保證一定對，還望海涵能否通俗地解釋一下，什么是量子糾纏？人要看見東西需要光，但是針對微觀粒子而言，你一用觀測光照它，它就不是原來狀態(tài)了，所以不可能直接觀測到。它結(jié)果變得和觀測者的狀態(tài)有關(guān)了，所以糾纏在一起。量子糾纏是什么？通俗模式：前面的回答已經(jīng)很精彩了，我再稍微補充一點，因為關(guān)于量子糾纏的比喻有很多。

中科大量子信息實驗室的老大郭光燦院士曾經(jīng)打過一個比方比喻量子通信，說在美國的女兒生下孩子那一瞬間，遠在**的母親就變成了姥姥，即便她自己還不知道。之所以她是姥姥別人不是，而且她一定會成為姥姥，就是因為她和女兒之間有一種“糾纏”關(guān)系。@Ivony 打的比方的重點是：“出兵的只有張遼和司馬懿”，這句話相當于把張遼和司馬懿“糾纏”到了一塊，如果沒有這句話，量子糾纏的意義就解釋不清了。高深模式通過量子比特和EPR佯謬就能差不多理解量子糾纏的概念了吧。

1）量子比特：在經(jīng)典信息系統(tǒng)中，信息單元是以一個位或者比特（bit）作為信息單元的。從物理學角度講，比特是一個兩態(tài)系統(tǒng)，如是或非、真或假、0或1等。在量子信息系統(tǒng)中，常用量子位或量子比特（qubit）表示信息單元，量子比特是兩個邏輯態(tài)的疊加態(tài)。

（疊加態(tài)的介紹詳見@譚永的回答）經(jīng)典比特和量子比特的不同之處在于，它只能處于或，而量子比特可以處于和的任意疊加態(tài)。所以說，一個量子比特可以攜帶的信息量，要遠遠大于一個經(jīng)典比特攜帶的信息，也就能理解為什么量子計算機的速度要遠遠超過現(xiàn)在的計算機了。 2）EPR佯謬：”EPR佯謬“是Einstein, Podolsky and Rosen（愛因斯坦、波多爾斯基和羅森）三人提出的一個假想實驗。這個實驗的基本思想是：考慮一個由兩個粒子A和B(稱為EPR對)組成的復(fù)合系統(tǒng)，初始時它們的總自旋為零，各自的自旋為，隨后兩個兩個粒子沿相反方向傳輸，在空間上分開。

若單獨測量A(或B)的自旋，則自旋向上(或向下)的可能概率為1/2，但若已測得粒子A自旋向上(或向下)，那么粒子B不管測量與否，必然會處在自旋向下(或向上)的本征態(tài)上。愛因斯坦等人認為：如果兩個粒子分開足夠遠，對**個粒子的測量就不會影響第二個粒子。EPR佯謬正是基于這種定域論的觀點提出的。

然而玻爾則持完全不同的看法，他認為粒子A和B之間存在著量子關(guān)聯(lián)，不管它們在空間上分開多遠，對其中一個粒子實施局域操作，必然同時導致另一個粒子狀態(tài)的改變，這就是量子力學的非局域性。隨著量子光學的發(fā)展，越來越多的理論和實驗支持了玻爾的看法，否定了EPR的觀點。也就是說，量子糾纏是存在的，它和空間時間都沒關(guān)系。在量子力學理論中，人們習慣上將前面提到的半自旋粒?。