18、迈向通用量子计算：突破与展望

迈向通用量子计算：突破与展望

量子计算基础：从经典到量子

在量子信息处理领域，研究正在如火如荼地进行。虽然有人宣称量子计算机已经存在，但单个用途的量子逻辑门阵列并不等同于通用量子计算机（UQC）。目前的量子处理器通常需要在低温环境下运行，体积庞大且成本高昂，使得量子计算机的全部潜力仍停留在理论层面。例如，谷歌的Summit量子处理器在3分20秒内完成的计算，超级计算机需要10000年才能完成。然而，量子计算机极易受到温度微小变化或微小振动的影响，导致量子比特的微妙状态被破坏，这种现象被称为退相干，是实现UQC的主要障碍。

经典的图灵比特（bit）是数字数据的最小单位，只能处于0和1两个离散状态；而量子比特（qubit）则可以处于纠缠叠加态，能够同时处于0和1以及它们之间的任意状态。一个由n个二进制比特组成的经典寄存器只能存储2^n个可能数字中的一个，而相应的量子寄存器可以同时存储所有2^n个数字。理论上，量子计算机可以并行处理看似无限的值，一个30量子比特的量子计算机相当于每秒能进行10^13次浮点运算（TFLOPS）的数字计算机，与目前最快的超级计算机相当。

量子比特是一个二维量子力学系统纯态空间的几何表示，用狄拉克的“bra-ket符号”表示为|0⟩α + |1⟩β，其中α和β是满足|α|² + |β|² = 1的复数。测量时，处于状态|0⟩的概率为|α|²，处于状态|1⟩的概率为|β|²。在2D复向量空间中，量子比特可以用标准正交基表示，也可以在布洛赫球上表示，如下面的表格所示：
| 表示方式 | 描述 |
| — | — |
| 希尔伯特空间表示 | 量子比特位于复单位圆上，其两个自由度表示为两个欧拉角 |
| 布洛赫球表示 | 正