近來，有關(guān)量子計算的新聞不斷刷屏,。量子計算機的突破,，為我們描繪著更快、更強的未來計算場景,。然而,，對于大多數(shù)人來講，量子計算機依然是“不明覺厲”的存在,。

我們可能會發(fā)現(xiàn),，表述量子計算機能力水平的一個重要參數(shù)是它的量子比特數(shù)。無論是我國66比特的可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”,，還是近日IBM公司宣布制造出的127個量子比特的量子計算機,，量子比特都是一個繞不開的概念。那么,，究竟什么是量子比特,？它為什么在量子計算中“舉足輕重”？提高量子比特數(shù)的難點又在哪,？

“既死又活”的薛定諤貓

量子比特是量子計算機的基本信息單元,。與常規(guī)計算機使用的非0即1的二進制碼不同，量子比特可同時以0和1的狀態(tài)存在,。這種不確定性來源于物理學(xué)中的量子疊加：一個量子系統(tǒng)能同時存在于多個分離的量子態(tài)中,。

想要進一步理解量子疊加，就不得不提及著名量子物理學(xué)家薛定諤的那只“既死又活”的貓,。

薛定諤的貓其實是一個思想實驗,。它假定一只貓被關(guān)在一個密閉房間內(nèi)，房間里有一瓶裝著劇毒氣體的玻璃瓶,，瓶上方有一個裝有放射性原子的盒子,。放射性原子有一定概率發(fā)生衰變。盒里還有一個機關(guān)偵測放射性原子是否發(fā)生衰變,。若發(fā)生了衰變,，機關(guān)將控制一個錘子砸碎玻璃瓶，釋放出毒氣,，從而使貓死亡,。

但有一個問題出現(xiàn)了：假定關(guān)貓的盒子不透明且隔音，不打開盒子的話便無法知道貓的死活,。如果問貓是死是活,，怎么回答？不打開盒子的話只能推斷貓可能是死的,，也可能是活的,。

因此，現(xiàn)在盒子里關(guān)著一只“既死且活”的貓,。雖然我們在實際生活中并不會遇到這樣的“幽靈貓”,，但量子比特卻存在相似的情況。量子比特可以同時具有兩個或兩個以上的多重狀態(tài)（疊加態(tài)）,，這種現(xiàn)象就是量子疊加,。

打破疊加態(tài)的方法是測量。例如,，我們打開盒子后便知道了貓的生死,。因為我們得到了確定的結(jié)果（非死即活）,，疊加態(tài)便不復(fù)存在，物理描述為疊加態(tài)坍縮到某一個量子態(tài),。這個打開盒子的過程就是測量,。

量子計算機的計算過程便涉及通過測量量子比特，使其量子態(tài)坍縮為0或1,。這就使得量子計算機與我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的計算機甚至是超級計算機都有著巨大差別,。普通計算機每一比特（byte）僅能存儲兩種可能狀態(tài)：非0即1。但量子計算機不同,。由于量子疊加,，每個量子比特理論上可同時存儲0或1這兩種狀態(tài)，這使得量子比特擁有比比特更大的信息存儲能力,。比如,，由于2的8次方等于256，故具有8比特的二進制計算機能表示0到255之間的任一個數(shù)字,。但具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數(shù)字,。

量子計算機正是通過量子疊加實現(xiàn)同時存儲大量信息的功能。因此,，它們可以在處理復(fù)雜任務(wù)時,，快速存儲大量數(shù)據(jù)，探索多種可能并選擇最有效的解決途徑,。

量子計算機搭建面臨巨大挑戰(zhàn)

量子比特的概念雖然抽象,，但量子計算機并非虛幻。建造它們的理論基礎(chǔ)已搭建好,，但是要實現(xiàn)它們,，還要面臨一項艱巨的挑戰(zhàn)。

量子比特本質(zhì)上是處于疊加態(tài)的亞原子粒子,，如電子,、被束縛的離子或光子。量子比特周圍環(huán)境的細微變化,，比如振動,、電場、磁場,、宇宙輻射等,，都可能向量子比特輸入能量，進而使疊加態(tài)坍縮,，使量子比特失效,。因此，量子比特需要密封在極冷,、真空環(huán)境中以最大程度地避免任何干擾,。這就是量子計算機的搭建面臨的巨大挑戰(zhàn),。

正是由于保持量子比特的疊加態(tài)是件非常困難的事，最微小的環(huán)境變化也可能導(dǎo)致疊加態(tài)的坍縮,，造成計算錯誤,。所以,，目前世界上還沒能造出一臺沒有誤差,、且用途廣泛的量子計算機。

量子計算機的巨大潛力,，還與量子力學(xué)中的另一個著名概念“量子糾纏”有關(guān),，即各個量子比特可通過量子糾纏聯(lián)系在一起。

簡單而言,，當(dāng)兩個量子粒子糾纏在一起時,，它們的量子態(tài)相同。改變?nèi)魏我粋€粒子的量子態(tài)的任何屬性都將瞬間改變另一個粒子的狀態(tài),，即便二者相隔千山萬水,。愛因斯坦將這種無處逃脫的聯(lián)系稱為“幽靈般的超距作用”。

互相糾纏的量子比特不僅能加密即時信息傳遞,，還可讓量子計算機的性能呈指數(shù)級增長,。比如，具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數(shù)字,，這只是8量子比特獨立存在的情況,。如果它們互相糾纏起來，或者和其他量子比特糾纏……整個糾纏的系統(tǒng)所能表示的數(shù)字將遠遠超出人們的想象,。

而這正是量子計算機無比誘人的魅力所在,。盡管量子計算機仍處于起步階段，但一旦能夠大規(guī)模應(yīng)用,，其必將掀起一場顛覆性的革命,。