量子计算的基本原理

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来源：中为咨询www.zwzyzx.com 【日期：2016-08-23 17:18:20】【打印】【关闭】

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量子并行计算的基础在于，一个存储单元能够同时记录0和1两个数字，存储性能更强。经典计算机里面，每一个存储单元叫做比特（bit），只能存储一个数字，0或者1中的任意一个（二进制的两个数字）。具体而言，用不同的电压来分别表示0和1两种信号，比如用低电压信号代表0，1代表高电压信号。在经典世界中，我们只能同时拥有一个状态。比如，如果我们存储了001，我们就不能同时存储010，这是因为两个信号的电压会叠加，如果同时拥有这两个信号，我们只能够得到011。而量子计算机中，每一个存储单元叫做量子比特（q-bit），可以存储基本状态是两种状态的叠加，也就是以一定组合的形式，同时存储0和1。

量子计算的存储单元

在量子世界中，很多天然的量子系统可以实现这种量子存储。以光为例（光具有波粒二象性，这里主要讨论波的特性），光在传播过程中，波会沿着两个方向振动：水平振动、竖直振动。如果水平振动叫做1，竖直振动叫做0，那么光波会沿着45度振动就对应着0和1这两种状态的叠加。当然，光波也可以只沿水平振动（代表只存储1）或者垂直振动（代表只存储0）。可以说，量子比特最大的特点是可以同时存储0和1。其他载体还可以包括：质子的核磁共振（自旋方向的不同代表0或1），电子的不同自旋方向等。

量子计算的存储器可以同时存储多个数字。对于一个量子比特，它可以存储一位二进制数字（长度为1），但它能同时存储两个数（二进制数字0和1）。当有两个量子比特在一起时，这个存储器可以理解为包含了四种传统的态（也称基本态）：00、01、10、11。物理学家把两个量子比特组成的量子态称为这四个基本态的组合，也就是这两个量子比特可以同时存储00、01、10、11四个数字，每个数字的长度都是2。因此，定义一个N位量子寄存器为N个量子比特的有序集合，那么他的叠加态就有2^N个的基本态，每个基本态的长度都为N。比如，对于一个3量子比特构成的量子存储器，它包含了8个基本态000、001、010、011、100、101、110和111。而这些状态以某种概率的组合在一起，所以存储器可以同时保存8个数字。

量子计算的存储能力示意图