量子位元

量子比特（又称为Q比特、qubit ），在量子信息学中是量子信息的计量单位。传统电脑使用的是0和1，量子电脑虽然也是使用0跟1，但不同的是，量子电脑的0与1可以同时计算。在古典系统中，一个比特在同一时间，只有0或1，不是0就是1，不是1就是0，只存在一种状态，但量子比特可以是1同时也可以是0，两种状态同时存在，这种效果叫量子叠加。这是量子电脑计算当前独有的特性。具有量子特性的系统（通常为双态系统，如自旋1/2粒子），选定两个相互正交的本征态，分别以 | 0 ⟩ {displaystyle |0rangle } （采狄拉克标记右括向量表示）和 | 1 ⟩ {displaystyle |1rangle } 代表。当对此系统做投影式量子测量时，会得到的结果必为这两个本征态之一，以特定几率比例出现。此外，这两个本征态可以复数系数做线性叠加得到诸多新的量子态而从量子力学得知，这些线性叠加态 | ψ ⟩ {displaystyle |psi rangle ,} 的两个复数系数，必须要求各自绝对值平方相加之和为1，也就是：因为两个本征态 | 0 ⟩ {displaystyle |0rangle } 、 | 1 ⟩ {displaystyle |1rangle } 及无限多种线性叠加态 | ψ ⟩ = α | 0 ⟩ + β | 1 ⟩ {displaystyle |psi rangle =alpha |0rangle +beta |1rangle } ，集合起来就代表了一个量子比特；各态皆属纯态。和（古典）比特“非0即1”有所不同，量子比特可以“又0又1”的状态存在，所谓“又0又1”即上述无限多种 ( α , β ) {displaystyle (alpha ,beta ),} 组合的线性叠加态。这特性导致了量子平行处理等现象，并使量子计算应用在某些课题上显著地优于古典计算，甚至可进行古典计算无法做到的工作。量子比特通常会采用一种几何表示法将之图像化，此表示法称之为布洛赫球面。若设置 | 0 ⟩ {displaystyle |0rangle } 、 | 1 ⟩ {displaystyle |1rangle } 顺沿直角坐标系的z方向，则有诸多表示法。可采上述向量形式如狄拉克标记的右括向量，亦可将之表为行矩阵；另外有密度矩阵形式，可表为右括向量乘以左括向量，或表为方块矩阵，可见如下：量子三元（qutrit）是量子比特的推广，有些应用采取之。量子三元以狄拉克标记右括向量表示可写为 | 0 ⟩ {displaystyle |0rangle } 、 | 1 ⟩ {displaystyle |1rangle } 、 | 2 ⟩ {displaystyle |2rangle } 。一个自旋为1的粒子，其自旋自由度有三，所对应的本征值为+1, 0, -1，此粒子即可用作量子三元。