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量子比特
量子比特（qubit）是量子信息的基本单位，能够处于经典状态0和1的叠加态中（对0和1各有一个振幅）。
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这是什么意思
与必须为0或1的经典比特不同，量子比特的状态是两个基态的线性组合（叠加），用状态向量|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩描述，其中α和β是满足|α|² + |β|² = 1的复概率幅。振幅可以相互增强或相消（干涉），量子算法正是通过设计这种干涉来工作的；但一次测量仍只能得到一个经典比特。物理实现包括超导电路、囚禁离子、光子偏振和电子自旋。测量时，量子比特分别以|α|²和|β|²的概率坍缩到|0⟩或|1⟩。生活类比
量子比特就像单个光子的偏振：45°偏振的光并不是暗中水平或垂直，而是确定地指向两者之间的一个方向。但把它送入0°/90°滤光片，每个光子仍只会以50:50走向其中一边——正如测量量子比特只会得到0或1。
可以把量子比特想象为地球仪上的一个点：北极是|0⟩，南极是|1⟩，表面上的每一个其他点都代表两种状态的叠加——比经典比特的简单正反面丰富得多。
常见误解
- 量子比特并非简单地同时为0和1——它存在于由决定测量概率的复数振幅描述的特定量子态中。
- 量子比特不能存储无限信息——测量时只能获得一个经典比特的信息（0或1）。
- 量子比特不是暗中早已是正面或反面的旋转硬币。硬币总有一个确定的隐藏面，经典概率只能相加；而量子比特的振幅可以相消（干涉），任何“隐藏硬币”的图景都无法重现这一点。
要点总结
- 量子比特由满足归一化条件|α|² + |β|² = 1的两个复数振幅α和β描述。
- 测量使量子比特坍缩到确定的经典态，以|α|²的概率得到0，以|β|²的概率得到1。
- 量子比特是所有量子计算和量子信息协议的基本构建模块。
检验你的理解
一个量子比特处于|ψ⟩ = (1/√2)|0⟩ + (1/√2)|1⟩状态。测量到|0⟩的概率是多少？
- A.0
- B.1/4
- C.1/2
- D.1
查看答案
答案: C. 1/2
原因: 测量到|0⟩的概率为|α|² = |1/√2|² = 1/2 = 50%。
以此为基础的概念
一次文献: Schumacher, Quantum coding, Phys. Rev. A 51, 2738 (1995), doi:10.1103/PhysRevA.51.2738
Term and formalism per Schumacher 1995; state-vector treatment per Nielsen & Chuang (2010), doi:10.1017/CBO9780511976667.