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在高科技世界中，經典電腦早已成為我們生活中不可或缺的一部分，量子電腦有望帶來一場革命，改變我們對運算能力的理解。這場革命的中心是量子位，也就是量子資訊的基本單位。與僅限於值 0 和 1 的經典位元不同，量子位元具有獨特的量子特性，使其能夠處於疊加狀態，同時組合兩個值。這項驚人的功能使量子位元成為量子電腦的關鍵組成部分，它可以比經典電腦更快地執行極其複雜的計算。了解量子位的性質和潛力為未來打開了大門，量子技術可以克服當前的限制並帶來新的科學和技術進步。



什麼是量子位元？
下圖顯示了資訊測量的兩個 澳大利亞手機號碼列表 基本單位：位元（用於普通電腦的工作）和量子位元（量子電腦所基於的屬性）。



經典位元有兩個值，即其物理載體只能處於兩種特定狀態。例如，如果處理器中的電晶體通過電流，則取值1，如果不通過則取值-0。

量子位元（來自英語 q-bit，量子位元）也可以取值 0 和 1，但是與簡單位元不同，它不受它們的限制。如果一個量子位元可以處於任意兩種基本狀態，那麼它也可以處於這些狀態的疊加，也就是取大量的中間值。將量子位元的狀態空間視覺化為布洛赫球體是很方便的。在球體的北極，該值為 0，在南極為 1 但還有整個其他表面，它代表所有可能的狀態。




您可以從任何具有兩個基態的量子物件創建一個量子位元。例如，自旋為 1/2 的電子可以處於兩種狀態：向上自旋和向下自旋。任何具有這種特性的粒子，無論是光子、中性原子或離子，都可以充當量子位元。

然而，目前技術最先進的量子電腦運行在超導量子位元上，即由具有奈米級間隙（約瑟夫森結）的超導體製成的微電路。超導量子位元的一個關鍵優勢是能夠使用微電子領域成熟的製程來製造它們。

為什麼它對科學來說很有趣？
阻礙量子電腦發展的主要問題是量子位元失去相干性。任何量子系統都不可避免地與環境相互作用，導致量子位元狀態發生不受控制的變化。結果，計算出錯的機率顯著增加。此外，量子位元的低相干性通常嚴重限制了量子電腦可以執行的操作數量。

科學家正試圖透過創建「複雜」邏輯量子位元來解決量子位元的這一關鍵限制，該邏輯量子位元將由多個物理量子位元組成。如果其中幾個人失去了連貫性，其餘人仍將繼續執行任務。如果能夠獲得這樣的複雜系統，那麼隨著技術的發展，將有機會獲得能夠進行無限次運算的無錯誤的量子電腦。

為什麼知道這一點很重要？
由於量子位元處於疊加狀態，量子電腦可以透過並行執行多個操作來以數倍的速度執行某些任務。並行化好處的一個明顯例子是在迷宮中尋找出路。普通計算機會依次遍歷所有可能的選項，遇到死胡同就返回，而量子計算機則可以一次性檢查所有可能的走法。

量子電腦在解決此類任務方面的效率非常高，因此被稱為量子優越性。量子電腦可能需要幾分鐘才能解決某些排序任務，而最強大的經典超級電腦可能需要一年以上的時間。這一優勢對於模擬粒子的化學和物理特性、優化複雜圖形的構造以及創建先進的加密和解密方法非常有用。