关于什么是量子信息？

-2022年诺贝尔物理学奖得主 Anton Zeilinger在

 1998年的一篇文章可能是一个不错的入门…

Anton Zeilinger说，信息是物理的这一事实意味着量子力学定律可以用于以现有系统无法实现的方式处理和传输它

信息的基本量是比特，它可以取两个值之一——通常是“0”和“1”。因此，任何位的物理实现都需要一个具有两个明确定义的状态的系统，例如一个开关，其中关闭代表“0”，打开代表“1”。例如，位也可以用逻辑电路中的某个电压电平、光盘中的凹坑、玻璃纤维中的光脉冲或磁带上的磁化来表示。在经典系统中，希望两个状态被一个大的能垒隔开，这样比特的值就不会自发改变。

两态系统也用于对量子系统中的信息进行编码，传统上将这两个量子态称为 |0> 和 |1>。量子信息技术真正新颖的特点是量子系统可以处于不同状态的叠加状态。从某种意义上说，量子比特可以同时处于|0>状态和|1>状态。这个新特征在经典信息论中是没有可比性的，1995 年美国肯扬学院的 Ben Schuhmacher 创造了“量子比特”这个词来描述量子比特。

Qubit-量子比特 (quantum bit)

Beamsplitter-分束器

量子叠加（quantum superposition）的一个众所周知的例子是双缝实验，其中一束粒子穿过双缝并在另一侧的屏幕上形成波状干涉图案。量子干涉的本质特征是，任何时候仪器中只有一个粒子，就可以形成干涉图案。量子干涉的一个必要条件是，实验必须以这样一种方式进行，即无法知道，甚至在原则上，粒子在到达屏幕的途中穿过了两条狭缝中的哪一条。

量子干涉（Quantum interference）可以通过说粒子处于两条实验路径的叠加来解释：|通过上狭缝 > 和|通过下狭缝 >。类似地，量子位可以处于|0>和|1>的叠加中。量子信息处理实验倾向于使用干涉仪而不是双缝，但原理是一样的（图 1）。到目前为止，已经观察到光子、电子、中子和原子的单粒子量子干涉。

超越比特 Beyond the bit

任何量子力学系统都可以用作量子比特，前提是可以将其状态之一定义为|0>，另一个定义为|1>。从实际的角度来看，具有清晰可辨的状态是有用的。此外，希望态具有相当长的寿命（在实验规模上），这样量子信息就不会因退相干而丢失到环境中。光子、电子、原子、量子点等都可以用作量子比特。还可以将内部状态（例如原子的能级）和外部状态（例如粒子的传播方向）用作量子比特。

量子不确定性在量子信息中发挥作用的事实似乎意味着信息的丢失。然而，叠加实际上是一种资产（asset），当我们考虑多个量子比特的系统时可以看出这一点。如果我们尝试将两位信息编码到两个量子粒子上会发生什么？直接的方法是将一位信息分别编码到每个量子位上。这导致四种可能性——

|0> 1 |0> 2，（对应二进制00）

|0> 1 |1> 2， （对应01）

|1> 1 |0> 2， （对应10）

|1> 1 |1> 2 。 （对应11）

其中|0> 1  |1> 2 描述了第一个量子位的值为“0”，第二个量子位的值为“1”的情况，依此类推。这种方法完全对应于经典编码方案，

其中这四种可能性代表“00”、“01”、“10”和“11”。

一对双态粒子有4种可能的布尔态。

每个贝尔态代表两种可能性的相干叠加。

Coherent superposition- 相干叠加