量子位元

在量子资讯学中，量子位元（英语：quantum bit），又称Q位元（qubit^[1]）是量子资讯的计量单位。传统电脑使用的是0和1，量子电脑虽然也是使用0跟1，但不同的是，量子电脑的0与1可以同时计算。在古典系统中，一个位元在同一时间，只有0或1，只存在一种状态，但量子位元可以同时是1和0，两种状态同时存在，这种效果叫量子叠加。这是量子电脑计算目前独有的特性。

4个量子位元的IBM实验晶片，但最后并无实用价值。

字源

量子位元 (qubit) 这个术语的创造者是本杰明·舒马克（英语：Benjamin Schumacher） (Benjamin Schumacher)。^[2]舒马克在1995年论文的致谢中指出，量子位元这个术语是在与威廉·伍特斯（英语：William Wootters） (William Wootters) 的一次谈话中开玩笑地创造出来的。

定义

具有量子特性的系统（通常为双态系统，如自旋1/2粒子），选定两个相互正交的本征态，分别以${\displaystyle |0\rangle }$（采狄拉克标记右括向量表示）和${\displaystyle |1\rangle }$代表。当对此系统做投影式量子测量时，会得到的结果必为这两个本征态之一，以特定几率比例出现。此外，这两个本征态可以复数系数做线性叠加得到诸多新的量子态

${\displaystyle |\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle ;\quad \alpha ,\beta \in \mathbb {C} }$，

而从量子力学得知，这些线性叠加态${\displaystyle |\psi \rangle \,}$的两个复数系数，必须要求各自绝对值平方相加之和为1，也就是：

${\displaystyle |\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1\,}$

因为

${\displaystyle 1=\langle \psi |\psi \rangle =(\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle )^{\dagger }(\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle )=(\alpha ^{*}\langle 0|+\beta ^{*}\langle 1|)(\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle )}$

${\displaystyle =\alpha ^{*}\alpha \langle 0|0\rangle +\beta ^{*}\beta \langle 1|1\rangle }$

${\displaystyle =|\alpha |^{2}+|\beta |^{2}\,}$，即要求总几率要是1。

两个本征态${\displaystyle |0\rangle }$、${\displaystyle |1\rangle }$及无限多种线性叠加态${\displaystyle |\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle }$，集合起来就代表了一个量子位元；各态皆属纯态。

和（古典）位元“非0即1”有所不同，量子位元可以“又0又1”的状态存在，所谓“又0又1”即上述无限多种${\displaystyle (\alpha ,\beta )\,}$组合的线性叠加态。这特性导致了量子平行处理等现象，并使量子计算应用在某些课题上显著地优于古典计算，甚至可进行古典计算无法做到的工作。

量子位元通常会采用一种几何表示法将之图像化，此表示法称之为布洛赫球面。

按方向所采的诸多表示法

若设置${\displaystyle |0\rangle }$、${\displaystyle |1\rangle }$顺沿直角坐标系的z方向，则有诸多表示法。可采上述向量形式如狄拉克标记的右括向量，亦可将之表为行矩阵；另外有密度矩阵形式，可表为右括向量乘以左括向量，或表为方块矩阵，可见如下：

z方向

向量：${\displaystyle z_{+}=|0\rangle ={\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}},\quad z_{-}=|1\rangle ={\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}}}$

密度矩阵：${\displaystyle z_{+}=|0\rangle \langle 0|={\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}}*{\begin{pmatrix}1&0\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix}},}$
${\displaystyle z_{-}=|1\rangle \langle 1|={\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}}*{\begin{pmatrix}0&1\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix}}}$

x方向

向量：${\displaystyle x_{+}=|x_{+}\rangle ={\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\{\frac {1}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}},\quad x_{-}=|x_{-}\rangle ={\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}}$

密度矩阵：${\displaystyle x_{+}=|x_{+}\rangle \langle x_{+}|={\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\{\frac {1}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}*{\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}&{\frac {1}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\frac {1}{2}}&{\frac {1}{2}}\\{\frac {1}{2}}&{\frac {1}{2}}\end{pmatrix}},}$
${\displaystyle x_{-}=|x_{-}\rangle \langle x_{-}|={\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}*{\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}&-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\frac {1}{2}}&-{\frac {1}{2}}\\-{\frac {1}{2}}&{\frac {1}{2}}\end{pmatrix}}}$

y方向

向量：${\displaystyle y_{+}=|y_{+}\rangle ={\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\{\frac {i}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}},\quad y_{-}=|y_{-}\rangle ={\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\-{\frac {i}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}}$

密度矩阵：${\displaystyle y_{+}=|y_{+}\rangle \langle y_{+}|={\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\{\frac {i}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}*{\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}&-{\frac {i}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\frac {1}{2}}&-{\frac {i}{2}}\\{\frac {i}{2}}&{\frac {1}{2}}\end{pmatrix}},}$
${\displaystyle y_{-}=|y_{-}\rangle \langle y_{-}|={\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\-{\frac {i}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}*{\begin{pmatrix}{\frac {1}{\sqrt {2}}}&{\frac {i}{\sqrt {2}}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\frac {1}{2}}&{\frac {i}{2}}\\-{\frac {i}{2}}&{\frac {1}{2}}\end{pmatrix}}}$

量子三位元

参见：量子三位元

量子三位元（qutrit）是量子位元的推广，有些应用采取之。量子三元以狄拉克标记右括向量表示可写为${\displaystyle |0\rangle }$、${\displaystyle |1\rangle }$、${\displaystyle |2\rangle }$。一个自旋为1的粒子，其自旋自由度有三，所对应的本征值为+1, 0, -1，此粒子即可用作量子三元。

参阅

• 量子资讯学
• 贝尔态
• 布洛赫球面
• 双态系统

注释

1. MA Nielsen, IL Chuang. Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, Cambridge (2000).
2. Schumacher, B. Quantum coding. Physical Review A. 1995, 51 (4): 2738–2747. Bibcode:1995PhRvA..51.2738S. PMID 9911903. doi:10.1103/PhysRevA.51.2738.

参考文献

• Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang: Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press, Cambridge 2000, ISBN 0-521-63503-9.
• Oliver Morsch: Quantum bits and quantum secrets - how quantum physics is revolutionizing codes and computers. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-40710-1.
• Anthony J. Leggett: Quantum computing and quantum bits in mesoscopic systems. Kluwer Academic, New York 2004, ISBN 0-306-47904-4.

外部连接

• Qubit.org （页面存档备份，存于互联网档案馆）—cofounded by one of the pioneers in quantum computation, David Deutsch