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量子计算是以量子力学的叠加态原理及非局域纠缠态为基础，研究信息处理的科学。它带来了一种处理信息的全新观点。量子信息科学目前发展十分迅速，无论是量子计算、量子信息传输和存储还是量子加密算法，都在不断地贴近更加现实的应用场景。

薛定谔的猫

薛定谔的猫（Schrödinger's cat），作为一个思想实验。它指出若将一只猫密封在一个盒子里，里面装着最终可以杀死它的东西。在你打开盒子之前，你是不会知道这只猫是活着还是死了（假设这个盒子是静音的）。所以，在打开盒子观察猫之前，猫同时是处于死的和活的的状态。从数学上讲，猫死的可能性为50%，猫活着的可能性为50%。

在量子力学的术语中，猫在被观察到之前（即当有人打开盒子时）处于活着和死去的暧昧状态，这个暧昧的状态被称为量子不确定性或观察者悖论。悖论指出，事件或实验的观察者会影响其结果。在这种情况下，无论谁在进行这个假设的实验，都可以影响猫是否处于未知状态。当盒子打开的时候，状态就变成100%确定性的（术语是塌缩 collapse），要么100%活着或者要么100%死的。

换句大白话，观察者（进行实验的人）在实验结果中发挥作用。在观察者打开盒子之前，猫的状态未知。在观察者打开盒子之前，猫处于叠加状态（生和死）。当盒子打开之后，猫的状态确定了，而这个确定的原因是因为被观察了，若未被观察，则量子一直保持叠加态。这就是量子力学的哥本哈根解释，它基本上解释了量子同时存在于所有可能的状态中，只有进行观察时，才能确认量子的真实状态。

之前有位专家在介绍量子叠加的时候，举了个例子：一辆飞行的飞机的所有元素其实已经处于确定性状态，那是因为很多人“观察”到它。<其实量子纠缠和退相干等概念解释了为什么宏观世界中并不直接观察到叠加态现象。> 但是在这里意会一下，不要抬杠！

量子纠缠

量子则不是任何基本粒子，而是一个“概念”。量子是指“当一个物理量具有最小的不可分割的单位时，这个物理量就被量子化”，也就是说，量子是指最小尺度的物理量，而量子力学则是针对最微观物理量的粒子运动规律。

量子纠缠是一种令人匪夷所思的现象，它指的是在由两个或多个微观粒子组成的系统中，即使这些粒子在空间上彼此分离，它们仍然能够相互影响。就像常说的“心灵感应”，两个人不用接触就能互相影响。但是，这种现象并不传递信息，因此不违反物理定律。

大白话的讲就是：在量子世界中，两个“纠缠”的量子，无论被分隔到多么遥远，都可以保持联系，并瞬时共享它们的物理状态。在很长一段时间里，以爱因斯坦为代表的部分物理学家对量子纠缠持怀疑态度。爱因斯坦曾将这种神秘的现象称之为“鬼魅般的超距作用”。

量子力学的纠缠对可以比作一台机器，它向着相反方向抛出反色的球。当鲍勃抓到一颗球，并看到它是黑色的时，他就立刻知道爱丽丝抓到了一颗白色的球。其实存在隐变量理论，它认为球总会包含着关于颜色的隐藏信息。但是，量子力学认为这些球本来都是灰色的，直到有人看到它们时，其中一颗会随机变成白色，另外一颗则变成黑色。多类实验已经证明了，量子力学是对的！

物理实验

2022年诺贝尔物理学奖授予阿斯贝克特（Alain Aspect）, 克劳瑟（John F. Clauser）和塞林格（Anton Zeilinger）。官方表示，三位通过开创性实验，展示了研究和控制纠缠态粒子潜力。三位获奖者对相关实验工具的开发，为量子技术的新时代奠定了基础，也为基于量子信息的新技术扫清道路。不可思议的量子力学因此不断地开拓应用领域，例如量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。

Clauser延续了贝尔的想法，并进行了一项实验。在测量的时候，结果显著的违反了贝尔不等式，从而支持了量子力学。

贝尔不等式通过一种不等式的形式，旨在测试和区分量子力学和经典物理学之间的差异。如果实验的结果违反了贝尔不等式，即超出了经典物理学预期的界限，这将支持量子力学的描述，表明存在量子纠缠和非局域性现象。

上图为Clauser的实验过程，使用钙原子，借助一种特殊的光照亮粒子后，钙原子可以发射纠缠光子。他在两边分别安置了一个过滤器，来测量光子的偏振。经过一系列测量，他能够证明它们违反了贝尔不等式。

Clauser完成他的实验之后，仍然有一些漏洞存在。Aspect对装置进行了改进，从而弥补了其中的一个重要漏洞。他用一种新的方法激发原子，让它们以更高的速率发射纠缠光子。他还设计了装置的切换，以便证明系统不会包含任何可能影响结果的预先信息。

Anton Zeilinger后来对贝尔不等式进行了更多测试。他将激光对准一种特殊的晶体，创造了光子纠缠对，并使用随机数在测量设置之间切换。一项实验利用了来自遥远星系的信号来控制过滤器，并确保信号不会相互影响。它的研究小组还展示了一种被称为量子隐形传态的现象，使得在一定距离上将量子态从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

量子比特

在量子计算中，不同与传统的Bit，状态只能为0或1；量子位 （Qubit）处于0与1的叠加状态，也就是说一个Qubit可以携带的信息量更多，不仅只有0或1而是0与1的无穷多种组合，又称为布洛赫球 （Bloch sphere）。

按照刚才的量子纠缠，是指空间中不同的Qubits形成关联。举例来说，如果有两个Qubits A与B，各别处于0与1的叠加状态中。若A与B形成纠缠态，当量测A得到0的状态时，B则必然为1。

量子纠缠可以用来构建量子比特，同时能够带来强大的并行计算。假设有n个纠缠的量子位对（Entangled pairs） ，他们拥有的讯息空间 （information space） 并不是古典的n或2n ，而是2的n 次方（2^n），比传统的Bit携带的信息量是无法比拟的。两个量子比特的机器允许同时进行四次计算，三量子比特的机器允许八次计算，而四量子比特的机器同时执行 16 次计算。当然观测之后，Qubit会坍塌，状态会成为确定性。

对于4个量子比特，系统的状态可以表示为：

ψ〉=α0000∣0000〉+α0001∣0001〉+α0010∣0010〉+…+α1111∣1111〉

这表示可以同时处于16个不同状态的叠加态。后面的文章将会更加详细的展开解释，下图为最新的量子计算机。同时希望本专栏能够带着读者拥抱量子计算领域。