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量子比特

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中文名称 量子比特 英文名 quantum bit

量子比特还没有一个明确的定义，不同的研究者采用不同的表达方式。参照Shannon信息论中比特描述信号可能状态的特征，量子信息中引入了“量子比特”的概念。中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控六个光子的偏振、路径和轨道角动量三个自由度，在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠，刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

概述

参照Shannon信息论中比特描述信号可能状态的特征，量子信息中引入了“量子比特”的概念。量子比特的英文名字为quantum bit，简写为qubit或qbit。

1983年，Stephen wiesner在他量子货币的提案中第一次引入了量子比特的概念。而“量子比特”这个术语的问世应归功于Benjamin schumacher，在他论文的致谢辞中，schumacher 表示术语“量子比特”是他在同William wootters的一次谈话时提出的，只是因为它同古代的一种长度测量单位腕尺（cubit）的发音相似。在量子计算中，作为量子信息单位的是量子比特，量子比特与经典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。

定义

量子比特还没有一个明确的定义，不同的研究者采用不同的表达方式，例如，从物理学的角度，人们习惯于根据量子态的特性称为量子比特（qubit或qbit）、纠缠比特（ebit）、三重比特（tribit）、多重比特（multibit）和经典比特（cbit）等等。这种方式让人眼花缭乱，并且对量子比特的描述要根据具体的物理特性来描述。为了避免这些问题的困扰，这里从信息论的角度对量子比特做出统一的描述。

物理特性

量子计算机的物理结构是纠缠态原子自身的有序排列，量子比特在系统中表示状态记忆和纠缠态。量子计算是通过对具有量子算法的量子比特系统进行初始化而实现的，这里的初始化指的是把系统制备成纠缠态的一些先进的物理过程。在两态的量子力学系统中量子比特用量子态来描述，这个系统在形式上与复数范围内的二维矢量空间相同。两态量子力学系统的例子是单光子的偏振，这里的两个状态分别是垂直偏振光和水平偏振光。

基本性质

在经典力学系统中，一个比特的状态是唯一的，而量子力学允许量子比特是同一时刻两个状态的叠加，这是量子计算的基本性质。

基本特征

从物理上来说量子比特就是量子态，因此，量子比特具有量子态的属性。由于量子态的独特量子属性，量子比特具有许多不同于经典比特的特征，这是量子信息科学的基本特征之一 。

量子比特现存问题

当前，功能最强大的量子计算机是“带噪声中等规模量子”（NISQ）设备，并且对错误非常敏感。资深作者（加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授）Eric Hudson说，对于量子比特的准备和测量，错误特别严重，对于100量子比特，1％的测量误差则意味着NISQ设备将在大约63％的时间内产生错误的答案。

新型量子比特

为了应对这一重大挑战，Hudson和UCLA同事最近开发了一种新的量子比特，该量子比特托管在激光冷却的放射性钡离子中。研究报告的共同作者Wesley Campbell（UCLA物理学和天文学教授）表示，这种“金锁离子（Goldilocks Ion）”具有几乎理想的特性，可用于实现超低错误率的量子器件，使得加州大学洛杉矶分校的研究小组实现了约0.03% 的准备和测量误差率，低于迄今为止的任何其他量子技术。

Hudson说，UCLA这种令人兴奋的新量子比特的发展应该会影响量子信息科学的几乎每个领域。这种放射性离子在量子网络、传感、定时、模拟和计算等方面被认为是一种很有前途的系统，研究人员的论文为大规模NISQ设备铺平了道路。

该研究合著者包括：哈德逊实验室的博士后研究员Justin Christensen，以及美国空军研究实验室的物理学家David Hucul（哈德逊实验室和坎贝尔实验室的前博士后学者）。