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量子计算机原理是什么

发布时间：2025-10-08 | 来源：互联网转载和整理

量子计算机原理——普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为比特（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特（qbit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉我们：原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子计算，涉及了许多自旋的快速移动。

量子计算机就是用量子比特代替原来的普通比特。从物理层面上来看，量子计算机不是基于普通的晶体管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如质子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（学校实验大多用这个）等等作为载体。当然从理论上来看任何一个多能级系统都可以作为量子比特的载体。

量子计算机原理

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特（qbit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。

常识告诉我们：原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。

想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。

从数学抽象上看，量子计算机执行以***为基本运算单元的计算，普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算（如果***中只有一个元素，量子计算与经典计算没有区别）。

量子计算机与经典计算机的区别

量子计算机与经典计算机是有所不同的，其输入态和输出态一般为叠加态，其互相之间通常不正交。量子计算机的变换为所有可能的幺正变换。因此可以看出量子计算对经典计算做了极大的扩充，经典计算是一种特殊的量子计算。

量子计算的特征

量子计算最本质的的特征为量子叠加性与相干性，量子计算机对每一个叠加分量实现变换相当于一种经典计算，所有经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算的输出结果，这种计算称为量子并行计算。量子并行计算大大提高了量子计算机的效率。