關(guān)于什么是量子信息？

-2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主 Anton Zeilinger在

?1998年的一篇文章可能是一個(gè)不錯(cuò)的入門(mén)…

Anton Zeilinger說(shuō)，信息是物理的這一事實(shí)意味著量子力學(xué)定律可以用于以現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式處理和傳輸它

信息的基本量是比特，它可以取兩個(gè)值之一——通常是“0”和“1”。因此，任何位的物理實(shí)現(xiàn)都需要一個(gè)具有兩個(gè)明確定義的狀態(tài)的系統(tǒng)，例如一個(gè)開(kāi)關(guān)，其中關(guān)閉代表“0”，打開(kāi)代表“1”。例如，位也可以用邏輯電路中的某個(gè)電壓電平、光盤(pán)中的凹坑、玻璃纖維中的光脈沖或磁帶上的磁化來(lái)表示。在經(jīng)典系統(tǒng)中，希望兩個(gè)狀態(tài)被一個(gè)大的能壘隔開(kāi)，這樣比特的值就不會(huì)自發(fā)改變。

兩態(tài)系統(tǒng)也用于對(duì)量子系統(tǒng)中的信息進(jìn)行編碼，傳統(tǒng)上將這兩個(gè)量子態(tài)稱為 |0> 和 |1>。量子信息技術(shù)真正新穎的特點(diǎn)是量子系統(tǒng)可以處于不同狀態(tài)的疊加狀態(tài)。從某種意義上說(shuō)，量子比特可以同時(shí)處于|0>狀態(tài)和|1>狀態(tài)。這個(gè)新特征在經(jīng)典信息論中是沒(méi)有可比性的，1995 年美國(guó)肯揚(yáng)學(xué)院的 Ben Schuhmacher 創(chuàng)造了“量子比特”這個(gè)詞來(lái)描述量子比特。

Qubit-量子比特 (quantum bit)

Beamsplitter-分束器

量子疊加（quantum superposition）的一個(gè)眾所周知的例子是雙縫實(shí)驗(yàn)，其中一束粒子穿過(guò)雙縫并在另一側(cè)的屏幕上形成波狀干涉圖案。量子干涉的本質(zhì)特征是，任何時(shí)候儀器中只有一個(gè)粒子，就可以形成干涉圖案。量子干涉的一個(gè)必要條件是，實(shí)驗(yàn)必須以這樣一種方式進(jìn)行，即無(wú)法知道，甚至在原則上，粒子在到達(dá)屏幕的途中穿過(guò)了兩條狹縫中的哪一條。

量子干涉（Quantum interference）可以通過(guò)說(shuō)粒子處于兩條實(shí)驗(yàn)路徑的疊加來(lái)解釋：|通過(guò)上狹縫?>?和|通過(guò)下狹縫?>。類似地，量子位可以處于|0>和|1>的疊加中。量子信息處理實(shí)驗(yàn)傾向于使用干涉儀而不是雙縫，但原理是一樣的（圖 1）。到目前為止，已經(jīng)觀察到光子、電子、中子和原子的單粒子量子干涉。

超越比特 Beyond the bit

任何量子力學(xué)系統(tǒng)都可以用作量子比特，前提是可以將其狀態(tài)之一定義為|0>，另一個(gè)定義為|1>。從實(shí)際的角度來(lái)看，具有清晰可辨的狀態(tài)是有用的。此外，希望態(tài)具有相當(dāng)長(zhǎng)的壽命（在實(shí)驗(yàn)規(guī)模上），這樣量子信息就不會(huì)因退相干而丟失到環(huán)境中。光子、電子、原子、量子點(diǎn)等都可以用作量子比特。還可以將內(nèi)部狀態(tài)（例如原子的能級(jí)）和外部狀態(tài)（例如粒子的傳播方向）用作量子比特。

量子不確定性在量子信息中發(fā)揮作用的事實(shí)似乎意味著信息的丟失。然而，疊加實(shí)際上是一種資產(chǎn)（asset），當(dāng)我們考慮多個(gè)量子比特的系統(tǒng)時(shí)可以看出這一點(diǎn)。如果我們嘗試將兩位信息編碼到兩個(gè)量子粒子上會(huì)發(fā)生什么？直接的方法是將一位信息分別編碼到每個(gè)量子位上。這導(dǎo)致四種可能性——

|0>?1?|0>?2，（對(duì)應(yīng)二進(jìn)制00）

|0>?1?|1>?2， （對(duì)應(yīng)01）

|1>?1?|0>?2， （對(duì)應(yīng)10）

|1>?1?|1>?2?。 （對(duì)應(yīng)11）

其中|0>?1??|1>?2?描述了第一個(gè)量子位的值為“0”，第二個(gè)量子位的值為“1”的情況，依此類推。這種方法完全對(duì)應(yīng)于經(jīng)典編碼方案，

其中這四種可能性代表“00”、“01”、“10”和“11”。

一對(duì)雙態(tài)粒子有4種可能的布爾態(tài)。

每個(gè)貝爾態(tài)代表兩種可能性的相干疊加。

Coherent superposition- 相干疊加