數據恢復技術宅：什麼是量子存儲技術？（二）

量子存儲技術簡介（二）

上一篇文章中，我們對量子存儲技術做了一個簡單的介紹，這篇文章中，我們將繼續講解量子存儲中的一些基本概念。下面講述的內容來自若干篇國內外的論文，裡面用到的物理方程和數學公式，我將盡量用通俗易懂的方式為大家來講述。

在理解光與原子的相互作用的過程中，先要了解一個光脈衝與單個二能級原子的相互作用及其布洛赫球表示，且通過麥克斯韋方程和光布洛赫方程，可以推導出光場與原子場的演化方程。這裡有幾個概念，「二能級原子」、「布洛赫球」，「麥克斯韋方程」和「光布洛赫方程」，我們逐一來解釋和理解這些艱深晦澀的物理概念，這是了解和學習量子存儲技術無法繞過的基礎知識。

先說說「二能級原子」，實際原子的譜結構都是比較複雜的。例如,自然界中最簡單的原子-氫原子,它的本徵頻譜就由一組束縛分離譜和一組連續譜組成,其大部分的能級都是簡併的。所以精確討論多原子體系與經典電場的相互作用實際上是不可能的。即使討論一個原子與經典電場的相互作用也很難給出精確的解釋,通常需要藉助某些假設。人們在進行了眾多的研究之後,提出了只具有兩個非簡併能級E+和E-的理想模型-二能級原子,以它充當量子信息的載體-量子位,用於構建量子計算機的存儲單元,用於存儲量子信息;同時,也用於構建量子邏輯運算的目標位和控制位,並利用目標位和控制位之間的可調控制作用，構造量子邏輯門。但是,量子計算機不可能完全孤立於外部環境,其狀態的演化受具體環境的影響,與環境的相互作用將會引起計算機中編碼態的消相干(Dechoerence )以及量子態的么正演化,這將改變編碼信息,使信息散失到我們無法控制的環境中,從而破壞量子計算,使量子通信出現差錯,這是物理實現量子計算最主要的困難。

這裡提到了「簡併能級」的概念，在物理學中，簡併（英文degeneracy，但英文degeneracy具有多種含義，包括簡併和退化等）是指被當作同一較粗糙物理狀態的兩個或多個不同的較精細物理狀態。例如在量子力學中，原子中的電子，由其能量確定的同一能級狀態，可以有兩種不同自旋量子數的狀態，該能級狀態是兩種不同的自旋狀態的簡併態。具有相同能量的粒子可以處在不同的量子態（即不同的波函數），即每一個能級上可能有若干個不同的量子狀態存在，反映在光譜上就是代表某一能級的譜線常常由好幾條非常接近的精細譜線所組成。量子力學中把能級可能有的微觀狀態稱為該能級的簡併度，用符號g表示。簡併度亦被稱為退化度或統計權重。通俗一點說，就是一個能量下對應不同的狀態。結合氫原子來說，就是說氫原子的電子處於不同的能級上，而同一能級上的電子雖然能量相同，但是自旋量子數不同，就是說能量相同的電子具有不同的狀態，用術語講就是「簡併能級」。

理解了簡併能級，那麼再來理解「二能級原子」，就是假設該原子只具有兩個能級E+和E-，在對應能級上的電子都只有一個狀態，就是說能級是非簡併的，這就是為了理解量子計算所做的簡化假設。

我們接著來理解什麼是「布洛赫球」，首先我們得理解，這個球是用來表示量子比特的，用一個三維的球面，來表示量子比特。我們先來理解理解什麼是「量子比特」。相對於經典信息的基本存儲單元比特（bit），量子信息的基本存儲單元稱為量子比特（qubit）。在經典信息處理過程中，記述經典信息的二進位存儲單元比特由經典狀態

(如電壓的高低) 1和0表示。從物理角度講，比特是個兩態系統，它可以製備為兩個可識別狀態中的一個。

圖1 原子模型

對於量子信息而言，記述量子信息的存儲單元稱為量子比特。一個量子比特的狀態是一個二維複數空間的向量，它的兩個極化狀態|0> 和 |1> （參見圖 1）對應於經典狀態的0和1。在量子力學中使用狄拉克標記「 < |」和「| > 」表示量子態。英文中括弧叫 bracket，狄拉克把符號「<?|?>」拆成兩半：bra和ket，分別用來稱呼括弧的左半「<x|」和右半「|y>」，bra和ket 在中文中分別譯作左矢（左向量）和右矢（右向量）。「< |」和「| > 」是量子力學中表示量子狀態的標準標記。量子比特的重要特性在於一個量子比特可以連續地隨機地存在於狀態|0>和|1>的任意疊加狀態上。由於量子效應在微觀世界中會鮮明地凸現出來，因此量子比特與經典比特的不同在於：一個量子比特能夠處在既不是 0 也不是 1 的狀態上，而是處於狀態 0 和 1 的一個線性組合的所謂中間狀態之上。即處於狀態 0 和 1 的疊加上。由於量子效應在微觀世界中會鮮明地凸現出來，因此量子比特與經典比特的不同在於：

一個量子比特能夠處在既不是 |0> 也不是 |1> 的狀態上，而是處於狀態 |0> 和 |1> 的一個線性組合的所謂中間狀態之上。即處於狀態 |0> 和 |1> 的疊加態上。

圖2 量子比特的布洛赫球

經過上面的分析和講解，我相信大家已經對一些量子力學的基本概念有了一定的了解，對於「麥克斯韋方程」和「光布洛赫方程」，我們將在後續的文章中繼續為大家講解。

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