量子计算机——穿越未来世界

1. 本书主要介绍量子计算、量子通信与网络、量子安全与密码系统、量子技术*竞赛和量子技术发展前景。
2. 摒弃艰深的数学推导和物理定义描述，涵盖了现代计算机和量子力学理论知识中*有趣、*精彩的内容，专注于科普知识推广，充满了自然奇趣。
3. 以轻松幽默的口吻讲述相关的趣闻轶事，让读者接触量子计算领域的大师，开阔视野，延伸思想。
4. .以通俗易懂的语言介绍了量子信息和量子通信科学发展的前沿资讯，探索10~20年后奇妙的世界。

 

量子技术是近年来发展的前沿技术领域，大数据搜寻、破译密码、机器学习、人工智能、身份识别都是量子计算擅长的方向。无论是量子计算还是量子通信，目的都在于解决经典计算机无法解决的问题。预计，5年内将会出现相应的商业化运用，10年内会有普遍性的运用，国内外都很关注这一技术的发展。
本书以浅显易懂的方式讲解复杂的技术前沿问题，避免使用高深的量子力学、高等数学、计算机原理专业知识，深入浅出地详细介绍量子计算机的基础理论、*技术。
本书按量子计算机发展阶段和不断扩展的应用范围依次介绍了涉及量子计算与通信的相关理论基础、量子计算、量子通信与网络、量子安全与密码系统、行业案例研究、量子技术发展前景。
近年来，量子技术有长足的发展，量子计算机与量子通信已经出现在未来世界的门口，目前国内图书市场上开始出现一些量子科学技术书籍，但主要是国外原版专著或其译本，大多数对应于研究生教学层次。为适应广大对现代技术有浓厚兴趣的读者的需求，作者编著了这本量子计算机入门科普书籍，必要时也可作为各级院校的专业教材。

目录
第1章漫话： 量子计算机来了1
1.1量子技术的前世今生1
1.1.1先说说什么是量子1
1.1.2宏观世界和微观世界是那么的不同2
1.2世界上最小的“东西”是量子3
1.2.1分子、原子和量子，哪个最大？哪个最小3
1.2.2量子计算机是什么7
1.2.3量子计算将在我们有生之年普及11
1.3计算机和力学12
1.3.1量子力学与现实生活有什么联系12
1.3.2什么是量子力学 13
1.3.3全新的计算理论诞生16
1.410分钟看懂量子比特、量子计算和量子算法16
1.4.1波粒二象性17
1.4.2量子纠缠17
1.4.3量子叠加18
1.4.4量子比特和量子计算21
1.5量子计算机是什么计算机24
1.5.1什么是量子计算机241.5.2量子计算机的前世今生25
1.5.3量子计算机进入世界级竞赛27
1.6未来世界是量子互联网的时代33
1.7现在最火的是量子通信35
1.7.1量子通信卫星怎么样给小明发送密码35
1.7.2最火的颠覆性技术量子通信在中国37
1.8通信编码需要大智慧39
1.8.1解说通信编码39
1.8.2我要说的是“悄悄话”40
1.9当今所有密码系统都失效了44
1.9.1量子加密的“不破金身”44
1.9.2走近“颠覆性技术”——量子通信能否取代传统通信46
第2章计算机祖孙三代47
2.1计算机爷爷——图灵机模型47
2.1.1艾伦·图灵是个科学家47
2.1.2图灵机模型49
2.1.3计算机界的诺贝尔奖50
2.2所有计算机的同一祖宗——图灵机50
2.3计算机爸爸——冯·诺依曼机53
2.3.1第一个“攒”计算机的人——冯·诺依曼53
2.3.2经典计算机的五脏六腑55
2.3.3经典计算机的工作“门道”57
2.4计算机孙子——量子计算机60
2.4.1量子计算机的起源60
2.4.2量子计算机的研究历史61
2.4.3量子计算机算法理论62
2.5量子计算机的“硬件单元”已经造出来了66
2.5.1量子计算机的硬件单元67
2.5.2量子计算机的硬件逻辑单元是用什么材料做成的71
2.5.3新型量子计算机首个基本元件问世72
2.5.4世界上第一个完整的量子计算机芯片设计揭晓73
2.6量子计算机里面还得有“软件算法”74
2.6.1量子计算机的算法理论 74
2.6.2为量子计算机量身定做的Shor算法75
2.6.3量子并行计算的随机搜索——Grover算法76
2.7量子计算机展望77
第3章牛顿力学的困境及飞跃82
3.1物理大家族82
3.1.1经典物理学的建立发展过程82
3.1.2物理学的危机83
3.1.3经典物理学的完成和局限85
3.1.4量子论的出现87
3.2家族长子： 牛顿力学89
3.2.1苹果为什么会落在牛顿头上89
3.2.2牛顿是谁91
3.2.3牛顿想的也对也不对： 适用范围与局限性93
3.3家族长孙： 量子力学97
3.3.1量子力学漫谈97
3.3.2量子力学是用来解释微观粒子的物理分支100
3.3.3“薛定谔猫”的困境 102
3.3.4量子世界中，波函数到底是数学描述还是实体104
3.3.5搞量子力学没点高数基础不行——薛定谔方程106
3.3.6眼见为实： 量子力学的实验证明108
3.3.7牛顿力学与量子力学的决战113
3.4独门绝活： 量子纠缠119
3.4.1给量子纠缠做个CT119
3.4.2千里之外的心灵感应： 隐形传输124
3.4.3量子纠缠将远程控制你的生活127
3.5川剧变脸： 量子态套叠128
3.5.1一般人都搞不清楚的量子态套叠128
3.5.2原来如此： 量子态套叠原理129
3.6挑战量子力学的带头大哥——爱因斯坦129
3.6.1量子力学描述世界的语言跟经典力学有根本区别129
3.6.2EPR实验131
3.6.3泊松亮斑133
3.6.4量子隐形传态是“嗖”的一声把人传过去的瞬间传输吗133
第4章量子信息脸谱137
4.1什么是量子信息137
4.1.1量子信息三兄弟137
4.1.2量子信息学139
4.2量子比特不是比特币140
4.2.1比特币140
4.2.2量子比特141
4.3量子信息的身世143
4.3.1量子信息的源头143
4.3.2量子信息技术的发展145
4.3.3小有小的规矩——量子编码定理和量子编码方案147
4.4这个“比特”和那个“比特”不一样149
4.4.1风光无限“大哥大”——经典比特149
4.4.2领跑下一代——量子比特150
4.4.3量子比特叠罗汉151
4.4.4谨防“李鬼”！基于量子比特原理才叫量子产品152
第5章未来世界的大佬——量子计算155
5.1量子计算156
5.1.1量子计算的发展历程156
5.1.2量子计算的基本原理157
5.1.3量子计算机的实现159
5.1.4光量子计算机161
5.2量子计算的黑白两道162
5.2.1白道： 量子叠加性162
5.2.2黑道：量子相干性168
5.3量子计算独门绝技： 量子算法170
5.3.1高等数学 ： 基于Shor 分解大数质因子量子算法171
5.3.2百度一下： 基于Grover 量子搜索算法172
5.3.3量子智能计算173
5.4量子计算机的细胞核： 门电路173
5.4.1华山论剑门派一： 量子逻辑门176
5.4.2华山论剑门派二： 单量子比特门180
5.4.3华山论剑门派三： 条件非门181
5.4.4华山论剑门派四： 量子芯片183
5.4.5华山论剑门派五： 量子传感器184
5.5最火的量子计算机来了185
5.5.1众说纷纭的理论及研究185
5.5.2信息化战争： 量子计算的意义不亚于核武器189
5.5.3分久必合： 量子计算机的工作原理191
5.5.4合久必分： IT世界顶级高手的竞争197
第6章未来世界的神经中枢——量子通信203
6.1未来世界的神经系统203
6.1.1改变世界的新技术： 量子通信203
6.1.2众人拾柴火焰高： 量子通信的类型206
6.2云中漫步——量子隐形传态207
6.2.1通信神话： 量子隐形传态的原理207
6.2.2原来是真的： 量子隐形传态实验209
6.3风靡全球——量子信道211
6.3.1未来世界的高速公路： 量子信道211
6.3.2能比光还快吗： 光纤量子信道214
6.3.3太空通信： 自由空间量子信道217
6.4给互联网插上量子的翅膀——量子通信219
6.4.1通向未来的网络： 量子通信网络的体系结构219
6.4.2未来世界的互联互通：量子通信网络中的交换技术224
6.4.3世界太大了： 量子中继器236
6.4.4量子通信产业链238
第7章量子世界的“看门狗”——安全及密码241
7.1“看门狗”的祖宗： 经典密码学与现代密码学241
7.1.1古罗马人的密信： 经典密码学242
7.1.2德国人第二次世界大战时使用的密码机： 现代密码学243
7.2量子密码的鼻祖： 海森伯测不准原理248
7.2.1海森伯不确定原理248
7.2.2测不准原理所起的作用250
7.3我的地盘我做主： 量子密码学251
7.3.1量子密码的起源与发展251
7.3.2量子密码技术的原理252
7.4Alice 和Bob的对话： 量子密钥分发257
7.4.1量子密钥分发258
7.4.2BB84 量子密钥分发协议及其工作原理259
7.4.3量子保密通信进展以及墨子星263
7.4.4我怎么知道有人在偷听： 光子的偏振态266
7.5量子密码的宝典——工作原理269
7.5.1宝典一： 量子密码理论模式269
7.5.2宝典二： 量子密码理论分析271
7.5.3宝典三： 量子密码假设271
7.6人人都有的秘密——量子密钥分发273
7.6.1量子密钥分配的远程通信273
7.6.2云中漫步安全保障： 量子保密通信系统273
7.7量子安全直接通信275
第8章量子计算机的“社会分工”277
8.1世界是我们的也是你们的： 传统计算机渐渐接近它们的极限277
8.1.1近20年芯片的发展速度几乎没有提升277
8.1.2登纳德定律中一直在“偷懒”的芯片 280
8.1.3多核的陷阱： 从程序的角度探讨计算机的极限284
8.1.4量子计算机： 误解带来的乐观与恐慌287
8.2量子计算机赋予计算机一种新的计算能力水平292
8.2.1我们为什么需要量子计算292
8.2.2量子计算机要从囚禁原子开始297
8.2.3必须“冷酷”的量子计算机298
8.2.4量子计算机研制面临的技术困难304
8.2.5量子计算机会不会取代今天的计算机305
8.2.6量子计算机最终什么时候实现308
8.2.7如果量子计算机被推广，我们会失业吗309
参考文献313

前言

先问大家如下三个问题。
第一个问题，在世界IT行业最著名的与比尔·盖茨齐名、自学中文成才的华人女婿是谁？凡是IT行业的人纷纷举手，是Facebook（脸书）创始人兼首席执行官马克·扎克伯格。对！
第二个问题，马克·扎克伯格的孩子是男孩还是女孩？一半的人举手，女孩。有人还补充说，马克·扎克伯格准备在孩子长大以后把自己的99%的资产裸捐出去。对！
第三个问题，谁看过马克·扎克伯格抱着女儿读一本书的照片？只有25%的人有印象。如果我再加深一点，读的书的书名是什么？绝对没有人注意过！
我告诉你，书名是Quantum Physics for Babies，翻译成中文，书名就是《给宝宝的量子物理学》。有人问，这是她应该学的东西吗？马克·扎克伯格的回答是“不管她未来想做什么，做老师也好，像她妈妈那样，做医生也好，或者她想从事自己的事业，我希望她都能有这样的求知欲。求知欲就是我想知道为什么，以及我为什么不能做得更好。”
受马克·扎克伯格的启发，作者编写了下面这么一本书,全书分三部分。
第一部分基础理论及概念，包括第1章～第4章。
第二部分量子计算与通信部分，包括第5章和第6章。
第三部分量子技术安全与应用技术部分，包括第7章和第8章。
在这本书里，你可以发现以下内容。
 苹果有没有真正落在牛顿头上？
 计算机怎么和力学搞到一起了？ 原来我们反复学过的物理只是解释了宏观世界的规律，一到微观世界就不灵了。
 挑战量子力学的带头大哥就是爱因斯坦！
 爱因斯坦的“鬼魅学说”——量子纠缠。
 千里之外的心灵感应——隐形传输。
 量子隐形传态是“嗖”的一声把人传过去的瞬间传输吗？
 量子密码的鼻祖——海森伯测不准原理。
 所有计算机（包括量子计算机）的同一祖宗——图灵机。
 我们说的“量子比特”不是“比特币”。
 为什么当今所有的密码系统都失效了。
 信息化战争：量子计算的意义不亚于核武器。
 传统计算机渐渐接近它们的极限，近20年芯片的发展速度几乎没有提升！
 量子计算机真的来了，全球第一台商用型量子计算机售价 1500 万美元。
 在量子计算机给予一种新的计算能力水平的同时，IT工程师会失业吗？
书名考虑选为《量子计算机——穿越未来世界》，其含义有两个层次：
第一，作为量子计算及通信的入门科普书籍；
第二，作为未来10～20年IT行业技术进步的入门基础知识储备教科书。
本书献给所有具有强烈求知欲和希望走进未来世界的朋友们，谢谢您看完以上这段文字。

编者    2019年3月

第5章未来世界的大佬——量子计算
量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。
如果把现在传统的电子计算机比作自行车，那么，量子计算机就好比飞机。量子计算机为何可以成为计算机界的“战斗机”？这与它的计算原理密切相关。
现有的电子计算机，一个物理比特只能存储一个逻辑态——或者0，或者1。而量子计算机利用的是量子的相干叠加原理，可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，一量子比特可以同时存储0和1。
这意味着什么呢？意味着量子计算机的处理能力将随着比特数的增加而呈指数级上升。量子计算机有N比特，就可以一次对2N个数进行数学运算，相当于经典计算机算上2N次。
量子计算的能力随可操纵的粒子数呈指数增长，这可以为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。
如果考虑分解300位大数，利用万亿次经典计算机需要15万年，利用万亿次量子计算机只需要1s。
据预测，2020年左右超导量子计算机就可以操纵50量子比特，到时就可以实现“量子称霸”，从而在处理一些特定问题的能力上超越经典计算机中计算能力最强的超级计算机。10年内量子计算机将可能实现对100个粒子的相干操纵，届时它处理特定问题的能力就可以达到目前全世界计算能力总和的百万倍。5.1量子计算
目前，我们的技术还无法实现真正意义上的量子计算机，因为添加更多的量子位和处理亚原子需要低于-269℃的低温环境。因此，Microsoft公司通过量子模拟器模拟40量子比特的操作，通过Azure云计算资源进行扩展。
量子计算可解决专业的科学问题，如分子建模、高温超导体的产生、药物建模和测试、分子的选择以及有机电池的制造。对于看视频或写Word文档等一般用途的任务，它并不是最佳选择。
5.1.1量子计算的发展历程
量子计算是最重要的后摩尔技术之一，拥有电子计算机无可比拟的超强计算能力。2012年诺贝尔物理学奖颁奖委员会评价称，量子计算有望在21世纪里彻底改变人们的生活，正像传统计算机在20世纪中所做的那样。
1. 量子计算概念的提出
量子计算的概念最早由阿尔贡国家实验室的Benioff于20世纪80年代初期提出，他提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算；稍后费曼也对这个问题产生兴趣并着手研究，1981年，在麻省理工学院举办的计算物理第一届会议上，诺贝尔物理学奖获得者费曼在报告中指出，使用经典计算机难以有效模拟量子系统的演化。他首次提出量子计算机的概念，说明使用量子计算机能够对量子系统的演化进行有效模拟。
1985年，牛津大学的D. Deutsch提出量子图灵机（quantum Turing machine）的概念，量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而，上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。
2. 量子计算中期发展
1994年，麻省理工学院数学家Shor提出分解大数质因子的量子算法——Shor算法，能够在多项式时间复杂度求解RSA密码体系中核心的大数质因子分解问题，与当前最好的经典算法相比具有指数加速性能。
这个结论开启了量子计算的一个新阶段： 有别于传统计算法则的量子算法（quantum algorithm），它确实有其实用性，绝非科学家口袋中的戏法，从而掀起了国际上研究量子计算的第一轮热潮。
随后近20年，量子计算在物理实现、算法、程序设计等各个方向都取得许多重要进展。例如，2012年诺贝尔物理学奖授予了美国科学家大卫·温兰德和法国科学家塞尔日·阿罗什，表彰他们在测量和操控单量子系统方面做出的开创性的实验工作，被评价为： 在利用量子物理效应构建超快量子计算机方面迈出了第一步。
自此之后，新的量子算法陆续被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名作为量子计算器的基础架构，如光子的偏振、腔量子电动力学、离子阱以及核磁共振等。截至2017年，考虑到系统的可扩展性和操控精度等因素，离子阱与超导系统走在了其他物理系统的前面。
当前，量子计算领域快速发展，正迎来第二轮研究热潮。起因来自技术的不断进步，以及玻色采样量子模拟等非标准量子计算技术受到更多关注。中国、美国、欧盟、英国等国家和地区都在开展对量子计算的研究，Google、IBM、Microsoft等IT巨头也都纷纷成立量子计算实验室，与高校开展联合研究。相信在本次研究热潮中，量子计算将获得新一轮的重要突破。
5.1.2量子计算的基本原理
量子计算是一种与经典计算完全不同的、基于量子比特的全新计算技术。图51解释了量子计算的基本原理。
图51量子计算的原理
量子比特的载体遵循量子力学的规律，可以处于0和1的相干叠加态。也就是说，一量子比特可以同时包含0和1的信息。这种特性称为量子叠加，系统处于量子叠加的能力称为相干性。对叠加的量子比特进行操作，就同时完成了对0和1的操作。
这类似于传统计算机中的单指令流多数据流(SIMD)并行。不同之处在于，SIMD并行需要2经典比特才能完成0和1的并行运算，而量子计算只需1量子比特就可以。
更重要的是，量子叠加所能同时表示的数随着量子比特数目的增加而指数增长。N量子比特能同时包含2N个数的信息，对这N量子比特的运算就同时完成了对2N个数的运算。这种“超并行”的运算方式带来了量子计算的超强运算能力。
量子物理中充满了各种违背人类直觉的诡异现象，而它们恰恰是构造量子计算的基本要素。图52中展示了“让这个世界以概率方式运行”的测量和“拥有诡异超距作用”的量子纠缠。
图52量子测量与量子纠缠
图52(a)中对叠加的量子比特进行测量，会改变叠加的量子比特，以概率的方式变为0或1。爱因斯坦不接受用这种概率的运行方式（非决定论），说“上帝不掷骰子”，但大量的物理实验都在不断验证量子物理的预言结果。
量子纠缠是一种特殊的量子叠加状态（称为叠加态）。图52(b)中有二量子比特，将00和11叠加在一起。如果对这二量子比特进行测量，它们会坍缩到00或者11。但是，如果第一量子比特变成了0，那么第二量子比特也一定会变成0。
同样地，如果第一个变成1，第二个也一定会变成1。关键在于，无论这两个量子比特相距多远，即使一个在地球上，另一个在火星上，如果一个量子比特发生坍缩，另一个也会以关联的方式瞬时坍缩。图52(c)显示了无论两个纠缠的量子比特相距多远，也会发生测量的关联坍缩现象。
5.1.3量子计算机的实现
如何实现量子计算机，是目前量子计算领域公认的最大挑战。图53解释了大规模量子比特系统面临的退相干问题。要保持量子系统的相干性，就需要让其与环境尽可能隔离，而计算所需的“操控与测量”本质上又是外界与量子系统的主动交互，“与环境隔离”和“与外界主动交互”形成一对矛盾。
图53大规模量子比特系统面临的退相干问题
这种困难在大规模量子比特上变得更加突出，这也是量子效应很少在宏观系统中显现得重要的原因。例如，薛定谔的猫等人类生活的宏观尺度里，环境与系统的作用难以避免，“环境对系统的测量”使得系统很难处于叠加的量子态。
与此同时，一项非常重要的非技术挑战是物理学、计算机科学等多个学科的交叉合作。在电子计算机中，应对同一问题往往有多种解决方案。例如，针对器件的可靠性问题，可以在物理电路层改进，也可以在数据编码时引入纠错码，还可以在系统结构层增加多模冗余等纠检错机制。
现有的量子计算研究中，至少可以划分为量子算法、量子程序设计、量子计算机体系结构、量子计算物理实现等多个层次。这些层次的研究目前分布在不同学科，学科之间的交叉合作明显不足，尚有很大的发展空间。
量子算法是量子计算研究的重要推动力。20世纪90年代，正是Shor算法的提出，让人们认识到量子计算的巨大价值；现阶段，引起大家再次关注量子计算的原因之一，恰恰还是量子退火、玻色采样等量子算法或与其有关的研究。目前量子算法领域的重要进展包括隐含子群问题、搜索问题、量子模拟、量子漫步和线性方程组求解等。
软件是传统计算机的“灵魂”，量子软件和量子程序对于发挥未来量子计算机的强大计算能力也有着不可替代的重要作用。由于量子计算的一些独特性质，如量子信息的不可克隆性、量子纠缠等，传统电子计算机的软件理论与方法并不能直接运用于量子计算机。量子程序设计研究，不仅是为了开发量子计算机上的程序和软件，还能够让我们进一步理解和认识量子计算本身。
量子计算物理实现是当前的研究焦点，目前研究的物理体系包括光量子、量子点、离子阱、超导、冷原子、金刚石色心和核磁共振等。各种物理体系拥有各自的优缺点，究竟哪种体系是最佳的量子计算物理实现途径尚未可知。同时，有观点认为未来的量子计算机会是多种物理体系的混合，类似于经典计算机，CPU用CMOS晶体管，内存DRAM用电容，硬盘用磁介质，光盘用光介质。
超导属于固态量子物理体系，采用现代微纳米加工技术，近年来发展迅速，受到广泛关注。拓扑量子计算是一种极其优美、全新的理论和实验方法，对局部扰动引起的退相干免疫，伴随马约拉那费米子等近期基础物理研究的突破受到越来越多的关注。
半导体量子点也属于固态量子物理体系，是最容易大规模集成的物理体系之一。
光子是“飞行量子比特(flying qubit)”，不仅可以作为量子处理单元的物理载体，还可以作为连接多个量子系统的桥梁，在未来的量子计算中占据着重要地位。
离子的相干时间非常长，离子阱也是研究最早和发展最快的物理体系之一。
5.1.4光量子计算机
光量子计算机包含3个主要部分。
第一部分是单光子源，在零下269℃的低温中，这个设备通过激光激发量子点，每次产生一个高品质的单光子，是国际上最高品质和最高效率的单光子源。
第二部分是超低损耗光量子线路。单光子通过开关分成5路，通过光纤导入主体设备光学量子网络。
第三部分是单光子探测器，探测矩阵中得到的量子计算结果。
多粒子纠缠的操纵作为量子计算的核心资源，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，利用量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路构建而成。
顾名思义，量子计算机需要对量子进行高精度调控，这需要极低的温度。目前发展最快的三大量子计算机体系中，光量子计算机可以在室温下运行，但要在零下269℃的低温中产生单光子；超导量子计算机的CPU芯片可以在常温下展示，但它的真正运行必须在接近绝对零度（零下273.15℃）的环境中进行；超冷原子量子计算机所需的低温是三者中最低的，最接近绝对零度。
量子计算机可以实用化，未来全世界会有很多台，但不需要家家都有。量子计算机可以和现有的经典计算机配合使用。以现有的手机终端为例，手机就是小型计算机，它要做成低温的量子计算机，会很难，也没有必要。但可以通过云计算平台，用手机把需要完成的计算任务送到云端，让后台的量子计算机来完成。
传统计算机能算好的问题，量子计算机不需要再去介入。量子计算机瞄准的，是传统计算机不能解决的难题，例如，玻色取样对经典计算机太难了，量子计算机在这方面就显得特别强大。
当量子计算机实用化以后，它能解决哪些实际应用领域的难题呢？
密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探、人工智能、大数据等，总之，那些需要超大计算量的难题，交给量子计算机就对了！
5.2量子计算的黑白两道〖*4/5〗5.2.1白道： 量子叠加性这些内容我们已经在有关量子力学的一节里做好了准备，但是重要的事情说三次，下面再复习一下。
1. 量子纠缠和量子叠加原理
1） 量子纠缠
量子纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远，一个粒子的行为也会影响另一个粒子的状态。当其中一个粒子被操作(例如量子测量)而状态发生变化时，另一个粒子也会即刻发生相应的状态变化。
量子纠缠意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎，不管两个人的距离有多远，当哥哥的状态发生变化时，弟弟的状态也跟着发生一样的变化。
如果这两个光量子呈纠缠态的话，哪怕是数千米量级或者更远的距离，大家认为，还是会出现遥远的点之间的诡异互动。两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家就可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。
2） 量子叠加原理
也就是说，量子有多个可能状态的叠加态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态。因此，对物质的测量意味着扰动，会改变被测量物质的状态。
这就好比孙悟空的分身术，一个孙悟空同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中，人们不可能同时出现在两个地方，但在量子世界里，作为一个微观的客体，它同时出现在许多地方。
量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位寄存器可同时存储这4种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加，对于n量子比特而言，量子信息可以处于2n种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机更快的处理速度。
2. 量子叠加态
量子的态就是指粒子的在空间中的状态，如能量、自旋、运动、场等。 量子的态可以用波函数描述，所以波函数又被称为态函数。
量子的态是可以线性叠加的，如双缝干涉，干涉光的波函数就是透过缝隙的两束光的波函数的叠加。还有比如电子的轨道叠加等，也可以用电子态叠加来解释。
叠加态是由几种本征态叠加在一起的粒子状态,这时这个状态是不确定的，只有当一个“测量”被进行的时候，才会呈现一个被测量的状态，可能是它的任何一种本征态。叠加态如图54所示。
图54叠加态
简单来讲，量子叠加态就是一个事物，你在观察它之前它既是a也是b，可同时处于这两种状态，一旦你观察了它，就只能是a或b 一种状态了，举个例子，一枚硬币抛向天空落下来之后立刻用手盖住，此时硬币既可以是正面朝上也可以是背面朝上，但如果你一旦拿开手，看到了这一枚硬币，它就只能是一种状态了。
量子的这些特性听起来既特别又神奇，其实道理并不难，这是因为整个宇宙都是一团能量，量子纠缠中的粒子a和粒子b都处在这个能量团中，而且a和b本身也是这团能量的一部分，它们之间本来就是密切相关的所以，a的状态改变会影响b的状态而且是瞬间的。
这样一来量子的叠加态就更好解释了，整个宇宙是一团能量，把这团能量比作水，去观察一个事物是什么状态的时候，就相当于我们拿着一个容器去盛水，你用的什么容器它就是什么形态，而在此之前它什么形态都可以是。
叠加态是 0 态和 1 态的任意线性叠加，它既可以是 0 态又可以是 1 态， 0 态和 1 态各以一定的概率同时存在。通过测量或与其他物体发生相互作用而呈现出 0 态或  1 态，