量子计算机的量子比特状态是什么样的，它可以多快地被修改？

Question

量子计算机的量子比特状态是什么样的，它可以多快地被修改？

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这个问题的目的是简化并尝试直接阐述重点，而不是为了展示我们谁比谁更聪明/无知，这在stackoverflow上很常见。我强烈建议我们用我们最好的知识回答，没有任何数学术语，并且认为：

1. 对于任何试图理解量子计算基本概念和工作原理的人都友好。

2. 帮助消除误解并提供更好的理解。

我可能会犯一些错误或者没有给出最好的解释，这就是为什么我通过在括号内放置一些例子来进行说明。 经典回顾： 经典计算机使用两种状态(1和0)表示一个比特，这意味着经典计算机的处理器在二进制数字系统中进行算术和逻辑运算，即它在base-2中进行加法、减法和决策。这都是通过晶体管实现的，通过电子在总线或纳米电路之间的交换完成(因此用电压和电流调制或操作进行读写)。 量子回顾： 对于量子计算机，我看过很多文章和视频强调了它相对于后者的速度更快，这是通过使用量子比特实现的。由于量子比特可以是一个1或一个0或两者都是(具有叠加态)。因此，量子计算机使用真空环境中的亚原子/量子粒子来表示一个量子比特，这些粒子(量子比特)可以用激光和光学系统、射频(RF)、微波技术等技术进行测量和操作，并且根据维基百科的说法，"当量子比特被测量时，结果总是一个0"或一个1"，量子计算（第四段）。 我的问题： 自然界（什么样的量子状态？）

如果只能测量一个qubit的值(0或1)，那么叠加态的qubit是被测量一次还是两次才会产生10或01(甚至是11或00)（因此叠加态的qubit彼此不同）？
从数学上讲，一个qubit有多少种可能的状态（从1或0或10或01(甚至00或11)）？
第三，在什么进制下可以说量子计算机正在运行(显然第二个问题解答了这个问题，例如经典计算机使用两个状态来表示一个比特(bit) ，因此运行在二进制(base-2)数字系统中)？

速度(它可以有多快地修改?)

我认为量子计算机比经典计算机更快的原因不仅仅是由于量子性质，如叠加态、纠缠等，而是由于经典比特的读/写速度(如果我们认为一个qubit具有x种状态，则经典比特可以转换为base-x，以便具有等效的qubits)发生在亚原子粒子移动/相互作用的速度上。例如，简单来说，如果量子处理器执行一个基本逻辑操作，比如对两个视频文件的位进行AND运算(请记住，如果量子计算机成为个人电脑，它将需要使用经典硬盘驱动器，因此使用这个类比，因为经典视频文件没有qubits)，在加载位(作为量子高速缓存或量子RAM中的qubits)之后，它将更快，因为qubit操纵设备(如量子门)几乎以光子和电子的速度的一小部分操作，这比使用电力进行经典比特操作(读/写)的纳米晶体管的经典处理器要快得多。(我知道对base-x数字的二进制等价数进行乘法也会更慢，因为它需要更多的位数，例如[10011010010x 1100] ₂比其等效的十进制数更慢[1234x 12] ₁₀ )。这是否是错误的，因为根据我的研究，有人认为在某些情况下，量子计算机可能不比经典计算机更快？

不确定，可能是两倍（因为叠加态的量子比特可以表示不同的附加状态）？
如果一个量子比特有3个状态，那么可能的值是[0、1、01=10]；如果有4个状态，那么可能的值是[0、1、01、10]；如果有6个状态，则可能的值是[0、1、01、10、00、11]。
基数是3吗？还是4？还是6？ 取决于上述所选猜测。
如果存在一台能够通过操纵经典位（例如20%的）光速计算的经典计算机，则它几乎会超越量子计算机，因为量子比特状态只代表量子计算机直接在比二进制更高的数字系统中计算的能力，因此量子处理器只需要更少的物理存储空间来执行计算，而不是长串的二进制数字（就像问题4中的乘法示例所示）。

假设[问题4]

存在量子PC的可能性
量子计算仅意味着使用量子处理器进行计算（以及可能的外围设备，例如量子RAM、量子Cache等），因此量子PC将具有正常的二级存储（硬盘）
基数-x是指表示量子比特可能处于的所有状态的数字基数，因此x肯定大于2
光速特指真空中光子/电子/亚原子粒子的速度，与利用计算的速度有关
为了让量子处理器操作来自二级存储（硬盘、闪存驱动器、云等）的数据，必须将数据转换为等效于基数-x的量子比特（表示量子比特状态）

- LiNKeR

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这篇文章有几个问题，使得回答起来比较困难，但主要的问题是一个帖子通常应该只包含一个问题，而不是十几个。至于主题，你似乎对量子计算有很多误解（这是可以理解的，因为大众对此的描述并不准确！），所以我建议你先阅读一些入门材料。例如，一个（单独的）量子比特可以有无限多种状态（但在测量时会被缩减到基础状态）。 - Norrius

1个回答

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可以查看英文原文，
原文链接

- LiNKeR · Accepted Answer

更新我提出这个问题的主要原因是想了解量子比特如何在不必深入挖掘的情况下能够更快地处理比经典计算机更大的计算，但不幸的是我不得不这样做，因此此更新将直接指向重点（留下了我以前的回答@ DOWNDATE ，这样您就可以更好地了解当时我的困惑）。

DOWNDATE：为了澄清我的之前的困惑：

1. 量子比特可以由量子设备（量子电路/门）并行测量和编码，以产生多个状态，因为它的波函数（以相位和幅度为基础描述）可以用布洛赫球上的复数表示。（量子粒子由波函数描述）

因此，一个叠加的量子比特可以被认为是一个复数，其等效二进制值比一对比特大得多。

2. 量子比特可以有多种状态。因此，量子比特的限制将是布洛赫球所能同时表示的单个量子比特的状态数量。

3. 数字基数将是量子比特可以最大化的状态最大数量，这取决于它由什么构成（光子，离子，电子）。

4. 首先，量子计算机仍然同时处理二进制输入的并行实例以产生更快的结果，而不是像[1234 x 12] ₁₀那样具有更高的数字基数，而不是[10011010010 x 1100] ₂。此外，如果经典计算机可以以超光速运行/传输信息，则在某种意义上它将胜过量子计算机，因为截至今天，量子比特的纠缠只传输信息而不是物理比特（因为量子比特既不能复制也不能移动），这更慢（即使纠缠之间的协调可能比光速更快，因为它（纠缠）不依赖于距离，但它们之间的通信并不那么快）。引用量子传送的原话：

“量子传送提供了一种从一个位置移动量子比特到另一个位置的机制，而不必物理上运输该量子比特所附着的基本粒子。”

“量子比特的运动不需要移动”东西“，就像通信一样”。

从本质上来看，要将量子比特C从点1传输到点2，必须存在在1和2上的两个纠缠的量子比特A和B，A将其与1上的C进行比较并将结果应用于自身，以便影响2上的B，以重新创建D（C的完全相同副本）。

参见此处。