量子人生

荷兰代尔夫特理工/Precision Microsystem & Engineering

博士：清华大学/机械工程

关键词：量子计算机，Q比特，测量，纠缠，人类社会

        你或许在新闻中经常看到 “量子计算机”这个词。一旦什么东西和“量子“扯上关系，相信你一定会觉得它高深莫测而立即失去兴趣。本文就带领大家来一探量子计算机这个神奇的世界。

经典数字计算机通常用0和1编码信息。普通计算机最基本的单位是比特，一个比特要么是0，要么是1。而量子计算机的基本单位是量子比特（Qubit），也叫Q比特。一个Q比特可以处于α|0⟩+β|1⟩这样的叠加态，其中|α|²+|β|²=1。在0、1基底测量时，得到0和1的概率分别是|α|²与|β|²，并不一定各为50%。叠加不是“它早已是某个经典0或1，只是我们不知道”。下面的人生故事只是帮助理解的比喻，不能把日常选择、社会关系当作真实的量子测量或纠缠。

        Q比特的诞生，如同一个呱呱坠地的婴儿，即他们的人生轨迹都是不可预知的。相信每个人在童年的时候都会被人问及长大后想做什么，因为在那个时候，你的人生充满着无限可能。只不过，Q比特先生的人生比较悲惨，摆在他面前的只有两种选择——长大后要么成为1，要么成为0 。而这个选择便被称为“测量”。在“测量”前，Q比特可能是1，也可能是0。我们知道普通计算机的所有指令都是由0和1组成的。而对于量子计算机，为了读出计算结果，通常需要在相应步骤进行测量，得到经典的0或1。如果这次测得1，就不能在同一次测量中也读出0这个未出现的结果。不过，实验可以重复制备相同量子态，统计不同结果的概率；这与人生只经历一次的比喻仍有不同。就好像高考填志愿时，你可以选择去清华（可以看作状态为1），也可以选择去北大（可以看作状态为0），而且你必须在一个时间段内做出选择。一旦选择结束，你将永远也不会知道在另一所高校读书是一种怎样的人生体验（也许这正是豆瓣上为什么此类问题非常火的原因吧）。当然人生的美妙之处在于，你有很多次做选择（也就是“测量”）的机会来修正你的人生。尽管如此，最终你还是要为你的每一次选择所负责，因为你和Q比特一样，归根到底也只能体验一种人生。

在了解了Q比特的特性后，你自然会问，那么相对于比特，Q比特有什么优点呢？n个Q比特的量子态可以涉及2ⁿ个计算基态的振幅，但这不等于把2ⁿ个彼此独立的经典数据装进去后逐一读出来。在计算基底上测量n个Q比特，一次得到的是一个n比特字符串；一个Q比特也不能直接读出两个独立的经典比特。量子算法的潜力来自对叠加、干涉和纠缠等资源的控制，而不是把测量当作免费读取指数多数据的操作。

前面我们提到，一个Q比特测得0或1的概率可以不同，这由量子态的振幅决定，不是因为它一定和其他Q比特纠缠。经典比特也可以存在相关性。量子纠缠则是一种不能用各部分独立状态的简单组合来描述的非经典相关；多个Q比特可以纠缠，也可以不纠缠。这和人类社会有点相似，每个人都是社会的动物，人们的每一个决定都必然会或多或少受到其他人的影响，也就是说人和人之间也存在所谓的“纠缠”，大概就是人们常说的爱恨情仇陌路人。言归正传，人们通过多个Q比特来存储信息和进行计算操作，在需要的时候会对某些Q比特进行一次统一“测量”，而对每一个Q比特而言，这次“测量”之后，它成为0还是1并不是自己说了算的，还要看其他Q比特的“脸色”。纠缠的大小不能仅凭空间距离判断；实际系统的噪声、损失和退相干会影响它的保持。一次测量得到这些Q比特组合中的一个结果，不能同时读出未出现的其他结果；通过重复制备与测量，仍可了解各结果的统计分布。这就好像你可以谈很多次恋爱，但你最终只可以和一个人结婚（也就是做一次测量，measurement）。结婚当然不是一个人的事，它是两人之间的“纠缠”。如果放在中国，这意味着两个家庭至少六个人的“纠缠”。按照“认识六个人就可以认识全世界所有人”的理论，一场婚姻意味着你在影响全世界。同样，你与离你近的人 之间互相的影响自然会大，而与离得远的人影响自然就弱。也许若干年后的一个午后，你会设想如果当年和另一个人结婚会是怎样的一种人生，又会怎样的影响着这个世界，当然这一切都无从知晓。从这个角度来看，人类社会是不是更像是一个巨大、复杂却又精密无比的“超级量子计算机”。

接下来，简单说一下怎样产生Q比特。实现Q比特的方法有很多，其中一种是包含约瑟夫逊结（Josephson junction）的超导电路。例如，transmon利用电路的两个低能量量子态编码0和1，再由控制脉冲制备和操纵叠加态；它不是靠随机出现顺时针或逆时针电流来自动产生叠加。如何产生更多稳定、可控制的Q比特仍是重要问题。作为原文所处年代的研究例子，谷歌与加州大学圣巴巴拉分校团队在2015年报告了9个超导量子比特组成的器件，用重复奇偶校验演示了错误检测及状态保护；这不等于当时已经建成可处理任意大型问题的通用量子计算机。

        最后，本文以米兰•昆德拉所著的《生命不能承受之轻》中的一段话来结尾，以体悟量子人生的美妙：

        “没有任何方法可以检验哪种抉择是好的，因为不存在任何比较。一切都是马上经历，仅此一次，不能准备。好像一个演员没有排练就上了舞台。如果生命的初次排练就已经是生命本身，那么生命到底会有什么价值？正因为这样，生命总是像一张草图，但“草图”这个词还不确切，因为一张草图是某件事物的雏形，比如一幅图的草稿，而我们生命的草图却不是任何东西的草稿，它是一张成不了画的草图。”

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2026年10月10日校订说明

2026-10-10校订：修正量子叠加与测量的表述、把2ⁿ维态空间误说成可直接读取的2ⁿ个经典数据、把普通相关等同纠缠、以及纠缠随距离必然减弱的说法；澄清超导量子比特的制备与2015年9比特实验。人生类比保留为比喻；署名按公众号同题留存稿补回，历史日期沿用旧站记录。

补充参考资料

• IBM Quantum Learning: Bits, gates, and circuits（叠加态、Born测量概率、多个量子比特与测量输出）
• IBM Quantum Learning: Entanglement in action（量子纠缠的非经典相关定义）
• Hensen et al. (2015), Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres（空间分离的纠缠实验；不能把纠缠与日常近邻影响等同）
• Koch et al. (2007), Charge insensitive qubit design derived from the Cooper pair box（含约瑟夫逊结的transmon设计与受控量子能级）
• Kelly et al. (2015), State preservation by repetitive error detection in a superconducting quantum circuit（2015年9超导量子比特重复纠错实验的历史事实）