量子相干性：量子计算强大能力的关键
2025.03.27 · 技术博客
量子相干性是一种基本属性，它使得量子系统能够执行复杂的计算。在经典计算中，比特要么是 0，要么是 1，但在量子计算中，量子比特可以同时处于多种状态。这种被称为叠加态的现象，正是量子计算机能够处理远超经典计算机能力范围问题的原因所在。
然而，要使量子比特正常工作，它们需要保持量子相干性。但这究竟意味着什么，又为什么如此重要呢？
量子相干性意味着什么？
从本质上讲，量子相干性指的是一个量子系统（比如一个量子比特）保持其叠加态的能力，且不会因环境干扰而丢失信息。相干性确保量子比特能够以一种方式相互作用，使得它们的量子属性（如纠缠和叠加）在整个计算过程中得以保留。
简单来说，量子相干性让量子系统能够在足够长的时间内保持 “同步”，从而进行有意义的计算。如果通过一种称为退相干的过程失去了相干性，量子系统就会崩溃，量子优势也会丧失。
量子相干性是如何起作用的？
为了使量子系统保持相干性，量子比特不能与可能引入噪声或干扰的外部环境相互作用。这种相互作用被称为退相干，它会导致量子系统失去其量子属性，实际上表现得就像经典比特一样。
为了实现量子相干性，研究人员必须将量子系统与环境因素隔离开来，提高量子比特的稳定性，并在必要时使用诸如量子纠错之类的技术来恢复相干性。
当量子相干性得以保持时，量子比特可以相互纠缠，并执行利用叠加态（即能够同时处于多种状态的能力）和纠缠（量子比特的状态以一种方式相互关联，即一个量子比特的状态会影响另一个量子比特的状态）的量子算法。
为什么量子相干性很重要？
量子相干性对于使量子计算机能够执行经典计算机无法处理的复杂算法至关重要。如果没有相干性，量子比特就无法在足够长的时间内保持其量子态以执行操作。这将严重限制量子计算机的计算能力，使其无法有效地解决现实世界的问题。
量子相干性至关重要的一些关键原因如下：
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实现量子并行性：叠加态使得量子比特能够同时探索多种可能性，但相干性确保这些可能性能够被正确测量，并用于产生准确的结果。
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支持量子纠缠：量子纠缠是一种量子比特相互关联的现象，其中一个量子比特的状态会直接影响另一个量子比特的状态。量子相干性确保这种纠缠得以保持，从而实现更快、更复杂的计算。
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提高量子算法的效率：对于像肖尔算法（用于分解大数字）和格罗弗算法（用于搜索数据库）这样的量子算法，保持相干性是提高其效率所必需的。
保持量子相干性面临的挑战
量子相干性非常脆弱，在有噪声的环境中保持它是量子计算中最大的挑战之一。
诸如温度波动、电磁辐射和振动等因素都可能导致退相干，从而在量子计算中产生错误。这些因素统称为量子噪声，会降低量子系统的可靠性，并限制量子算法的有效性。
为了解决这些问题，研究人员正在探索各种策略：
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量子纠错（QEC）：正在开发像表面码这样的量子纠错技术，以纠正由于退相干和量子噪声而产生的错误。这些方法可以帮助恢复相干性，并保护量子计算。
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隔离量子比特：将量子比特与周围环境隔离开来（例如，为超导量子比特使用低温环境）有助于减少退相干，并保持量子态。
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改进量子比特设计：量子比特技术的进步侧重于通过使量子比特对环境干扰更具抗性来延长相干时间。两种值得注意的方法包括：
超导量子比特：这些量子比特在低温下运行，并依靠约瑟夫森结来保持量子态。研究人员正在通过开发更好的材料、优化电路设计以及实施先进的误差缓解技术来延长它们的相干时间。
拓扑量子比特：与传统的量子比特不同，拓扑量子比特将信息编码在非局部量子态中，这使得它们本质上对某些类型的退相干具有抗性。这种方法仍处于实验阶段，有可能提供更强大且容错性更高的量子计算。
量子相干性的应用
量子相干性在几个关键领域支撑着量子计算的强大能力：
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密码学：量子相干性在破解当前的密码系统（通过肖尔算法）以及开发新的、抗量子攻击的密码学方面都发挥着作用。
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优化问题：量子相干性能够高效地解决复杂的优化问题，在物流、金融和机器学习等领域都有应用。
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药物研发：通过保持相干性，量子计算机可以高精度地模拟分子结构和化学反应，从而加速药物研发的进程。
量子相干性的未来
随着量子技术的不断发展，保持量子相干性对其成功至关重要。在量子比特设计、纠错和环境控制方面的进步将逐渐延长相干时间并提高可靠性。这将使量子计算机能够以曾经难以想象的规模执行实际的、现实世界中的计算。
量子相干性保持技术的发展将推动从密码学和金融到医疗保健和人工智能等各个领域的创新。研究人员正在积极努力突破量子相干性的界限，以释放量子计算的全部潜力。
结论
量子相干性是发挥量子计算真正强大能力的关键。没有它，量子计算机将失去解决复杂问题和进行有意义计算的能力。随着量子相干性技术的不断改进，量子计算机将变得更强大、更高效、更可靠，从而在密码学、优化和药物研发等领域实现突破。理解并保持量子相干性对于在未来充分实现量子技术的潜力至关重要。
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