6、深入探究量子信息系统

深入探究量子信息系统

1. 引言

量子力学的著名专家阿尔伯特·爱因斯坦直到去世都未能完全接受自己提出的假说。自那以后，一代又一代的物理学家不断钻研量子力学，希望使其预测更加令人满意。量子力学是用于发展实际假说的数学设计或规则集。例如，量子电动力学能够极其精确地描述粒子与光的相互作用，它是在量子力学的框架内发展起来的，但其中也包含一些不能完全由量子力学确定的内容。

量子力学与具体物理假说的关系，类似于个人计算机的操作系统与具体应用程序的关系。操作系统设定了基本的边界和操作方法，但具体任务的实现方式则由应用程序决定。量子力学的规则看似简单，但即使是专家也认为它们有不合理之处。量子计算和量子信息的早期先驱可能源于物理学家们长期以来想要更好地理解量子力学的愿望。

量子计算被视为计算的未来，对许多依赖它的领域具有显著优势，从密码学到医学，再到应用科学和软件工程。量子计算专注于基于“量子假说”和“量子物理”的特性来开发计算机。量子假说描述了能量和物质在“原子核”和“亚原子”层面（即量子层面）的行为和性质。量子系统是一种利用量子力学的特性和量子属性来处理信息的计算装置。大规模量子计算机能够以比经典方法快得多的速度执行任务，这种计算机的发展被视为人类计算能力的巨大飞跃。

1.1 量子计算术语

• Qubits（量子比特） ：代表原子的粒子，是量子系统的“信息核心单位”。在传统系统中，信息以比特编码，其值只能是 1 或 0，即比特必须处于这两种状态之一。但量子比特不同，它不受限于单一状态，可以处于叠加态，即可以同时处于 0、1 或两者的直接混合状态。
• 量子纠缠（En