什么是量子信息？
FUTURE | 远见 闵青云 选编
量子信息打破了经典信息的规则，使我们能够处理经典计算机无法应对的问题。
想象一下邮寄一封信。
作为寄信人，你知道这封信的内容。但是对于收信人来说，在阅读之前，他们通常不会知道它在说什么。
这是科学家思考信息的方式，至少在经典意义上是这样。
计算机存储信息、发送和接收信息以及处理信息。在经典计算机中，信息以一串比特的形式传播——1和0的模式。当每一比特到达时，接收者不知道它有什么价值。可以肯定的是，它肯定是0或1，但只有在它到达时才会显示出来。
从这个意义上说，每一个比特的到达都会解决一定数量的不确定性。
自然不是完全可以预测的。
现在，知道消息的开头可能会提供剩下部分的线索。如果一条信息开头是「哦，罗密欧，罗密欧」，那么信息很可能会以反问「你为什么是罗密欧？」结束。
知道信息的第一部分并不能决定信息的下一部分。消息的下一部分可能是「你能给我一个三明治吗？」
所有这些都是因为经典信息遵循一套规则，而量子信息打破了这些规则，使其成为强大的计算基础。
量子差异
经典信息的规则直观，以至于它们很容易被认为是理所当然的。经典信息是离散的：经典比特绝对是0或1，没有任何中间地带。而量子信息不是离散的。量子比特既可以是0也可以是1。
因为量子比特在数学上用一个矢量表述，0或1只是该矢量空间一组基底罢了。
量子算法有时可以利用这一事实比经典算法更有效地运行。
量子信息也不是确定性的。当有人看一个经典比特时，它只是一个0或一个 1，它不会改变，除了错误的可能性。但被测量所影响的量子比特并非如此。
尽管量子比特可以是0和1的任意组合，但测量它，会迫使它变为0或1。一般来说，有概率P得到0，概率1-P得到1。这不是错误，它是量子物理学实验验证过的一个基本事实。
重要的是，还意味着读取量子计算机的输出（一种测量）会破坏存储的大部分信息。就算本来量子比特的状态是基失0和1的线性组合，测量后就会变成只有0或1。
量子信息不是局部的。虽然每个经典比特都独立于其他所有比特，但一个量子比特通常不独立于其他量子比特。
例如，工程师可以准备一对处于纠缠状态的量子比特，如果我们测量一个量子比特为0，另一个量子比特必须为1，反之亦然。从理论上讲，工程师可以构建具有任意数量的量子比特的系统，其中每个量子比特的状态取决于许多其他量子比特的状态，并且它们都是复杂纠缠系统的一部分。
这一观察产生了一个奇怪的结果：经典比特在本地存储信息并且彼此独立，而量子信息通常存储在各个量子比特之间。
量子信息的好处
量子叠加、测量和纠缠带来了一定的困难。例如，有更多的环节可以让错误潜入系统。并且必须小心保护量子信息免受环境影响，以免它与环境纠缠。反过来，量子纠错更具挑战性，因为影响一个量子比特的问题最终可能会破坏整个系统。
但量子信息也带来了一些显著的优势。
量子计算的一个早期论点是这样的：经典计算机是确定性的东西——也就是说，当它们执行计算时，它们只会产生一个答案。而量子计算由于它的微观尺度下基本上是由量子力学统治地，自然可以产生不止一个答案。这意味着经典计算机将很难模拟量子行为。
想象一下使用经典计算机来模拟单个量子比特。至少，经典计算机需要很多比特来描述量子比特所处的状态，因为量子比特可以处于0和1状态的任意组合。经典计算机需要更多比特来编码量子比特如何相互纠缠，甚至需要更多比特来模拟某人执行量子算法并测量输出时会发生什么。
换句话说，模拟10个量子比特需要比10个经典比特多得多的数量，这表明使用10个量子比特可能比使用10个经典比特可以做更多的事情。
但即使是那个思想实验也没有完全捕捉到这种区别。量子比特中不仅仅是更多的信息——量子叠加、测量和纠缠，也意味着我们处理和与量子信息交互的方式是根本不同的。
这种不同带来的结果之一是，即使在解决一些确定性问题时，量子计算机也可能比经典计算机更好。
一个例子是大整数的因式分解。虽然只有一种方法可以分解任何数字，但在经典计算机上分解大数是一个非常困难的问题。在量子计算机上，相对容易。
这些区别并不意味着量子计算机在所有方面都优于经典计算机。要点是它们是不同的，因此适合解决不同类型的问题，实际上研究人员正在努力了解量子计算机最适合解决哪些计算问题。很清楚的是，量子信息开辟了新的可能性。
原文链接：
https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-quantum-information
End