量子計算的理論發展（一）

其實顧名思義，量子計算機就是操控量子信息的計算機。

那麼量子信息是什麼？它和經典信息有什麼不同呢？

量子信息有以下幾個特點：

1、量子信息的存儲量大。這是根據量子疊加態原理，比如說2個經典比特有4種情況，00，01，10，11，但是這兩個比特只能處於其中一個態，就只能存1種的信息；但是量子比特（qubit）可以處於這四種情況的疊加態，就可以存儲4種信息。類似的，量子信息存儲的量就是經典信息的指數倍。

如下圖，|a>=|0101>，而|b>=|0101>+|0101>，後者就是4和5的疊加態，其實後者還可以成為更多的態的疊加態，說明了量子態的存儲能力的強大。

2、量子信息可以並行處理。這也是基於疊加態原理，對一個量子信息單元（qubit）做邏輯門操作，其所有的態都在變化，這樣就實現了所有的態的統一處理，這是經典計算機所遠遠達不到的。

如下圖，該球（Bloch球）表面的每一點都是|0>和|1>的疊加態（不同點未來在測量的時候坍縮到某一態的概率不同），當我們對量子態進行操作時，它按照量子力學的規律繞某個軸轉動，繞不同的軸轉動就可以到達球面任意點，這種操作下|0>和|1>是同時變化的，這就是並行處理。

3、量子信息不可克隆。就是量子信息不能被複制，所以不能像經典計算機有copy的邏輯門的功能。

4、量子信息的測量坍縮。量子信息的測量過程中會以不同的概率坍縮到不同的態，而不是一個確定的結果，而且坍縮之後的量子態不能復原，這也是量子信息不可精確克隆的原因，因為一旦精確克隆，就說明你對它做了測量，然而一旦測量就被破壞，所以也就不能精確克隆了。

前兩點是量子信息的優點，是廣大科研人員的奮鬥動力。

然而，後兩點就是量子計算的絆腳石，這兩個不同尋常的特點直接導致了量子演算法設計的困難，也是量子計算機發展這麼慢的主要原因。

了解了這些特點，你一定想知道科學家怎麼開始設計量子計算機呢？

其實還是要從經典計算機說起。

經典數字電路的模塊如下，由與或非等邏輯門構成：

然後數字電路集成之後，就可以實現一些簡單的功能，比如數碼管顯示：

那麼，根據這一思路，科學們就想，我們的量子計算機也應該由一些邏輯門構成。

然而這其實有些困難，讀者可以自己想想哪些經典邏輯門我們可以在量子中實現，哪些不能？

我們下期見！