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量子比特

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中文名稱 量子比特 英文名 quantum bit

量子比特還沒有一個明確的定義，不同的研究者採用不同的表達方式。參照Shannon信息論中比特描述信號可能狀態的特徵，量子信息中引入了「量子比特」的概念。中國科學技術大學教授潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態製備的世界紀錄。

概述

參照Shannon信息論中比特描述信號可能狀態的特徵，量子信息中引入了「量子比特」的概念。量子比特的英文名字為quantum bit，簡寫為qubit或qbit。

1983年，Stephen wiesner在他量子貨幣的提案中第一次引入了量子比特的概念。而「量子比特」這個術語的問世應歸功於Benjamin schumacher，在他論文的致謝辭中，schumacher 表示術語「量子比特」是他在同William wootters的一次談話時提出的，只是因為它同古代的一種長度測量單位腕尺（cubit）的發音相似。在量子計算中，作為量子信息單位的是量子比特，量子比特與經典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。

定義

量子比特還沒有一個明確的定義，不同的研究者採用不同的表達方式，例如，從物理學的角度，人們習慣於根據量子態的特性稱為量子比特（qubit或qbit）、糾纏比特（ebit）、三重比特（tribit）、多重比特（multibit）和經典比特（cbit）等等。這種方式讓人眼花繚亂，並且對量子比特的描述要根據具體的物理特性來描述。為了避免這些問題的困擾，這裡從信息論的角度對量子比特做出統一的描述。

物理特性

量子計算機的物理結構是糾纏態原子自身的有序排列，量子比特在系統中表示狀態記憶和糾纏態。量子計算是通過對具有量子算法的量子比特系統進行初始化而實現的，這裡的初始化指的是把系統製備成糾纏態的一些先進的物理過程。在兩態的量子力學系統中量子比特用量子態來描述，這個系統在形式上與複數範圍內的二維矢量空間相同。兩態量子力學系統的例子是單光子的偏振，這裡的兩個狀態分別是垂直偏振光和水平偏振光。

基本性質

在經典力學系統中，一個比特的狀態是唯一的，而量子力學允許量子比特是同一時刻兩個狀態的疊加，這是量子計算的基本性質。

基本特徵

從物理上來說量子比特就是量子態，因此，量子比特具有量子態的屬性。由於量子態的獨特量子屬性，量子比特具有許多不同於經典比特的特徵，這是量子信息科學的基本特徵之一 。

量子比特現存問題

當前，功能最強大的量子計算機是「帶噪聲中等規模量子」（NISQ）設備，並且對錯誤非常敏感。資深作者（加州大學洛杉磯分校物理學和天文學教授）Eric Hudson說，對於量子比特的準備和測量，錯誤特別嚴重，對於100量子比特，1％的測量誤差則意味着NISQ設備將在大約63％的時間內產生錯誤的答案。

新型量子比特

為了應對這一重大挑戰，Hudson和UCLA同事最近開發了一種新的量子比特，該量子比特託管在激光冷卻的放射性鋇離子中。研究報告的共同作者Wesley Campbell（UCLA物理學和天文學教授）表示，這種「金鎖離子（Goldilocks Ion）」具有幾乎理想的特性，可用於實現超低錯誤率的量子器件，使得加州大學洛杉磯分校的研究小組實現了約0.03% 的準備和測量誤差率，低於迄今為止的任何其他量子技術。

Hudson說，UCLA這種令人興奮的新量子比特的發展應該會影響量子信息科學的幾乎每個領域。這种放射性離子在量子網絡、傳感、定時、模擬和計算等方面被認為是一種很有前途的系統，研究人員的論文為大規模NISQ設備鋪平了道路。

該研究合著者包括：哈德遜實驗室的博士後研究員Justin Christensen，以及美國空軍研究實驗室的物理學家David Hucul（哈德遜實驗室和坎貝爾實驗室的前博士後學者）。