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| 8 了解量子计算 就其核心而言，量子计算就像是将量 子力学的神秘世界与计算的实际领 域相融合。传统计算机中为人熟知的 "比特"可以是0或1，而量子计算机 使用的是量子比特，或称为"qubit"。 有趣的是：一个量子比特可以同时是 0和1，这要归功于一种称为"叠加" 的独特属性，即同时有多个状态。 为了形象地理解量子计算的本质，试 想一下抛硬币。在经典计算中，硬币的 位置（即正面或反面）表示二进制数 值，也就是1或0。而在量子计算中，量 子比特就好比半空中的硬币，代表的 状态可能是1、0或两者兼而有之。量 子比特的这种动态特性使它们能够处 理大量信息，比经典比特强大得多。 如果要可视化量子比特的外观或行 为，可以想象一个球体。这个球体内一 个点的位置代表了量子比特的状态， 由一定的概率决定。这种借助球体的 表示方法有助于我们理解量子比特的 独特性质及其在量子计算中的潜能。 然而，需要注意的是，量子计算并不是 要取代经典计算。相反，它更像是一个 协处理器，用来增强我们的计算能力。 另一个重要的组成部分是量子寄存 器。就像标准CPU中会有存储寄存器 一样，量子世界中会有与之对应的量 子寄存器，但是量子寄存器有一些独 特的性质。量子寄存器不像传统计算 机那样存储常规数据比特，而是存储 多个量子比特。就像普通计算机会存 储称为"触发器"的单元一样，量子寄 存器也存储量子比特。而它的神奇之 处就在于，它能够以叠加状态存储这 些量子比特。在向这个寄存器添加更 多量子比特时，它的存储容量（称为 希尔伯特空间）会呈指数级增长。这 种巨大的空间使量子计算机能够同 时利用多个量子比特的叠加能力， 这就是和传统计算机的一大区别。 另一个基本概念是量子门。如果您 熟悉传统计算机如何使用逻辑门来 改变比特的值，那么在量子领域，也 有类似功能的量子门。这些门是创 建量子电路的基本构件。它们使用 二进制输入，这一点与它们经典的 "同行"非常相似，但由于存在状态 向量，所以又增加了一层复杂性。 经典逻辑门是单向运算的，而量子门 是可逆的。这种可逆性使它们能够同 时进行多比特运算，从而赋予它们改 变整个量子系统或寄存器状态的能 力。为了阐明其背后的算术原理，这些 门使用酉矩阵来描述，以确保它们接 收和发出的量子比特数量保持平衡。 量子力学另一个迷人之处是量子纠 缠。想象一下，两个粒子相互关联，以 至于即便相距遥远，它们的状态依然 紧密相连，要想理解其中一个粒子的 状态，就必须考虑另一个的状态。这在 量子计算中很重要，因为量子世界和 现实世界中的物体之间存在固有的 相关性。纠缠成为在量子电路中操纵 真实世界数据的强大工具。即便智慧 如爱因斯坦，也觉得这个概念如此神 秘，以至于将其称为"远距离闹鬼"。 量子计算机 量子计算机不太像日常使用的个 人电脑。它们看起来有点像一盏高 科技的枝形吊灯，上面布满了数百 万个连接和2000多个元器件。 量子计算机并不是类似"机械手臂抛 硬币"那样的古怪东西，而是复杂的机 器， 现阶段主要有三种类型：量子退 火器、电路门模型和拓扑模型。虽然三 者的运行方式各不相同，但它们都有 一个共同的目标，那就是利用量子力 学来解决复杂问题。这些机器通常类 似于较大的圆柱体或立方体，需要极 其强大的散热才能运行，这凸显了它 们所代表的功率和精度之间的复杂平 衡。发热是量子计算机的天敌，因为它 会带来误差。所以，这些机器设计成在 低温下运行。使用氦同位素的稀释制 冷机对于预防量子退相干至关重要。 量子计算机的其他核心组件包括一 个使系统进一步冷却至4开氏度的 量子比特信号放大器，用于屏蔽量子 比特免受外部噪声影响的输入微波 线，用于减少状态传输过程中能量损 失的超导同轴线，以及用于防止量子 比特因噪声产生损耗的低温隔离器。 量子放大器捕获处理器读出信号，而 混合室使用化学物质让系统降温。 超导处理器包含一个传输量子比特 和约瑟夫森结，以实现平顺运行。