给初学者的FAQ

“量子”是什么意思？

量子理论在20世纪早期被开发出来，通过成功地解释像原子、电子这些微小粒子的怪异行为而革命性地发展了物理与化学。在20世纪末，人们发现量子理论不仅仅应用于这些粒子，而且还应用到了信息其自身。这通向了信息处理科学与技术的一次革命，使得之前不敢去想象的计算与通信成为可能。

什么是量子计算机？

一台量子计算机是一台设备，它能够以一种受控方式来操纵精妙的量子状态，就好比一台普通计算机操纵其比特那样。

什么是一个量子位？

一个量子位是一个比特的量子版本，并且其量子状态可以取|0>、|1>、或是一次同时获取这两种状态的值。最后这种取值现象称为量子叠加（superposition）。半尖括号|>的表示一般用于区分量子位和普通比特。

什么是量子叠加（superposition）？

量子叠加是对两个或更多状态的一次加权求和或求差；比如，当有两个或更多音乐音调同时发出声音的时候，空气的状态。普通的或“经典的”量子叠加通常在每天涉及到波的现象中发生。

量子叠加与经典叠加有何不同？

量子理论预测：具有N位量子位的一台计算机可以存在于这些完全不同的逻辑状态——从|00...0>到|11...1>，一共2^N个状态的量子叠加之中。这对于经典叠加是指数级的增长。同时弹奏N个音乐音调只能产生N个状态的叠加。

量子叠加与概率有何不同？

有一排N个硬币，每个硬币有正面和反面，那么一共具有2^N个可能的状态。但这实际上仅仅是这些状态中的某一个，我们只是不知道是哪个。出于这个理由，量子叠加比起经典的或然论具有更强大的资源。

量子叠加与大规模并行有何不同？

尽管量子叠加比起或然论更强大，但它实际上比起具有2^N个真实计算机一起处理某个问题时要弱。叠加确实比完整的并行要弱，但也确实比或然率要强。

什么是量子纠缠？

量子纠缠是大部分量子叠加的一种属性，而在经典叠加中是不会发生的。在一个纠缠状态中，整个系统处于一种确定的状态，尽管有些部分是不确定的。观察两个纠缠粒子中的其中一个，会使得其行为是随机的，但它会确切地告诉观察者另一个粒子是如何行动的，如果对另一个粒子也进行类似观察的话。因为量子纠缠涉及到了两个粒子的独立随机行为之间的相互关系，所以它不能被用于发送一条消息。因此，有时用术语“超时空传递（instantaneous action at a distance）”来描述量子纠缠是不恰当的。当两个观察者比较记录时，没有行为，只有相互关系（尽管这是不可思议的完美）才能在此后被探测到。量子计算机存在于量子纠缠状态的能力负责其很多额外的计算能力，以及许多其他量子信息处理能力，这些都无法被经典计算机执行，甚至无法描述。

什么是量子门？

量子门是量子计算的基本构件块，作用于量子位，就好比经典逻辑门作用于比特，并以一种可控的方式改变其状态，一次一个和两个量子位。

引言

我们正处于信息革命的新阶段。第一个阶段始于20世纪50年代，那时只有少数非常昂贵的需要占满整个房间的大型计算机，而且只能由专家进行使用。今天，计算机的数量比人类数量还多，并且我们可以用计算机来做很多事情，从通信到交通、商业，当然还有还有互联网。赋予我们计算机各式不同能力的一切，都是通过使用简单的操作，像与（AND）、或（OR）、非（NOT）来操纵零和一所产生的。这些简单操作称为逻辑门。在数十亿个地方能每秒做数十亿次，它们使我们的世界以我们习以为常的方式“嗡嗡作响”。

在过去的35年中，IBM一直在研究一种完全不同的信息与信息处理方式，这与普通的“经典”信息不同，就像梦想来自书本一样。不过跟梦想还不一样，这种新的信息称为量子信息（quantum information），它既是可理解的又是可用的。量子信息的基本单元称为量子比特（qubit）（或，量子位），而用于存储并处理量子比特的机器称为量子计算机（quantum computer）。近几年来，我们一直在建造和测试越来越强大的量子计算机，并且在去年我们制造了一台具有5个量子比特的量子计算机，坐落于我们的约克城实验室，通过互联网向公众开放。换句话说，现在你的指尖上就有一台可编程的量子计算机！我们不久将升级我们的公共量子计算机，不过即便是五个量子比特也足以让人感受到量子计算了。
从20世纪初发展起来的量子理论成功地解释了原子和电子等微小粒子的怪异行为，从而彻底改变了物理和化学。到了二十世纪末，人们发现它不仅适用于这些粒子，而且还适用于信息本身。这导致了信息处理科学技术的革命，打开了新型计算与通信的大门。
通过阅读本入门指南，我们希望您了解量子计算的不同之处，以及它所带来的新的可能性。其中一些可能包括设计新材料和药物，更快地搜索数据库，以及用目前不可能实现的方式、以令人难以置信的效率求解线性方程组。要做到这一切，量子计算机将使用量子世界的两个基本特性：量子叠加（superposition）和量子纠缠（entanglement）。

那么，什么是量子叠加呢？量子位可能处于“|0⟩”状态（称为zero-ket），“|1⟩”状态（称为one-ket），或是两个状态的线性组合（叠加态）。半角尖括号表示法 |⟩ 方便用于指明量子比特，而不是普通的电子比特。当你测量|0⟩量子状态时，你得到一个经典的0；而当你测量|1⟩量子状态时，你得到经典的1。|0⟩状态有时称为基态（ground state），因为在许多量子计算的物理实现中，它是最低的能量状态。

现在我们来谈谈量子纠缠。量子纠缠是许多量子叠加的一种性质，并且在经典物理中没有类似概念。在纠缠态下，整个系统可以被明确地描述，尽管该系统的一部分不能被明确描述。观察两个相互纠缠的量子比特中的其中一个会使它的行为随机表现，但它能准确地告诉观察者如果以类似的方式观察另一个量子比特，它将如何行动。量子纠缠涉及到两个量子比特各自的随机行为之间的相互关系，因此它不能用来发送信息。有些人称之为“超时空传递”，但这是一个误称。因为这里没有行为，只有相互关系；两个量子比特结果之间的相关性只有在这两个测量值比较后才能检测到。量子计算机存在于纠缠态的能力是它们具有额外计算能力的主要原因，也是量子信息处理对于许多经典计算机而言无法执行，甚至是无法描述的。

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