量子比特，或称量子位，是量子计算的基本信息单位。它类似于经典计算机中的二进制位，能够存储信息，但由于量子力学的特性，其行为却截然不同。

量子计算机通常利用亚原子粒子，如光子或电子，作为量子比特。在量子位中，电荷、光子偏振或自旋等特性代表二进制计算中的1和0。然而，由于量子特性，量子位还会受到叠加和纠缠现象的影响，这使得情况变得复杂。

比特与量子位：它们之间的区别是什么？

量子位可以是0或1，类似于比特，但它可以同时处于这两种状态——即1和0的叠加态。量子位会保持叠加状态，直到被直接观察或受到外部环境因素（如热量）的干扰。由于这种量子态极其脆弱，量子位必须在极低温度下保持不受干扰。

叠加使得量子计算机的量子位能够处于多种状态（0、1或两者同时），而可能的状态数量随着量子位的增加而呈指数增长。例如，两个经典比特在任何时刻的值可以是0或0；0，1；1，0；或1，1。

而拥有两个量子位时，你可以同时在所有四种状态下对数据进行编码。因此，量子计算机的处理能力可能远超传统使用二进制位的计算机。量子比特越多，能够并行处理的计算量就越大——如果你向系统中添加更多量子比特，这种增长将是指数级的。然而，要实现这种处理能力的指数级增长，量子位之间还必须存在纠缠。

纠缠是如何运作的？

在量子纠缠中，亚原子粒子的状态是相互关联的，无论它们之间的距离有多远。获取一个量子比特的信息将自动提供关于其纠缠粒子的相关信息。

纠缠粒子总是处于相关状态。因此，如果测量一个粒子的属性（如自旋），使其脱离叠加态，那么纠缠的另一个粒子也会立即发生相同的变化。由于两个纠缠粒子的状态始终相关，了解一个粒子的状态就能推断出另一个粒子的状态。

科学家们正在探索是否可以通过量子比特与周围环境的相互作用间接推断出量子比特的信息，而不是直接测量量子比特，这样会导致其失去叠加态。

量子比特的量子纠缠还允许它们在不受距离限制的情况下同时相互作用。当与叠加结合时，量子纠缠理论上大幅提升了量子计算机的计算能力，使其能够解决传统二进制计算机难以处理的复杂问题。

目前这种技术在小范围内是可行的，但面临着扩展的挑战。例如，一些计算任务，如破解加密算法，可能需要经典计算机数百万年的时间才能完成。然而，如果我们能够构建一台拥有数百万量子比特的量子计算机，那么同样的算法可以在几秒钟内完成。

为什么量子比特如此脆弱且容易退相干？

那么，为什么我们不简单地增加更多的量子比特来构建这样的机器呢？不幸的是，量子比特的寿命非常短，叠加态可能在微弱的外部环境影响下崩溃，例如热量或运动。因此，它们被认为是“嘈杂”的，容易出错。

因此，许多量子比特需要被冷却到接近绝对零度，并使用专门的设备进行维护。它们的“相干时间”极其短暂——这是它们保持理想量子计算状态的时间。相干时间通常仅持续几分之一秒。（世界纪录是10分钟完成一个量子位，但专家认为这不太可能转化为真正的量子计算机。）这一因素也使得量子比特不适合长期数据存储。

尽管现在有许多量子计算机，但我们仍需对量子比特应用“纠错”技术，以确保其结果的可靠性。目前正在研究的一种主要纠错方法是构建“逻辑量子比特”。逻辑量子位实际上是一组纠缠在一起、容易出错的量子位，它们在不同位置存储相同的信息。这种方法在计算过程中分散了潜在的故障点，从而纠正了错误。如果量子位足够稳定，加上量子位的叠加和量子纠缠，未来的量子计算机有望在传统二进制计算机所需的极短时间内完成计算，并解决即使是当今最强大的超级计算机也无法处理的复杂方程。