一枚“正反面同时朝上”的硬币——我们眼中的量子比特与量子计算机
作者：滕厚沄 贾柠睿 刘仲谋
摘要：普通计算机用0和1来记录信息，而量子计算机用的是一种神奇的“量子比特”——它可以既是0又是1。这次研学中，我们第一次走近量子计算的世界，还了解到我国“祖冲之三号”“九章”等量子计算原型机的最新成果。本文用我们自己能理解的语言，将量子比特、叠加态和量子计算机的原理梳理成文，并记录了小组讨论中碰撞出的问题与灵感。
关键词：量子计算机；量子比特；叠加态；祖冲之三号
一、引言：从一枚硬币说起
研学课堂上，老师不急着打开课件，而是从口袋里摸出一枚硬币，捏在指尖一弹——银色的小圆片在桌面上飞速旋转起来。他问我们：“硬币落定之后，只能是正面或者反面。可现在呢？它正在旋转，你能说它是正面还是反面吗？”教室里安静了两秒。我们盯着那枚嗡嗡作响的硬币，一个模糊的念头浮上来——在它停下来之前，它好像“既是正面，又是反面”，又好像“既不是正面，也不是反面”。老师看着我们恍惚的表情，笑了：“恭喜你们，已经摸到量子计算的门了。”
那枚硬币最终倒下来，稳稳地亮出正面。可它旋转时的样子，一直留在我们脑海里。
图1 我们在研学课堂上第一次接触量子计算
二、经典比特：非0即1的世界
我们平时用的电脑和手机，都属于经典计算机。它们记录信息的最小单元叫“比特”，就像一盏只有“开”和“关”两种状态的灯：不是0，就是1，没有中间地带。计算机内部成千上万条电路，本质上做的是同一件事——按照既定的规则，对由0和1排列组合而成的信号序列施加变换。一个比特只能承载一个状态，想要记住更多信息，就得老老实实地增加更多比特——就像一间只能亮一盏灯的房间要想表达更多含义，只好不断往墙上加装新灯。
三、量子比特：既是0，又是1
量子计算机的基本信息单元叫“量子比特”（qubit）。它以量子态作为信息的载体，而量子态最令人着迷的性质就是“叠加”——一个量子比特可以是0，可以是1，也可以同时“既有0又有1”，就像那枚旋转中的硬币，在被按住之前拒绝给出确定的答案。
叠加带来的好处，是存储与计算能力的指数级飞跃。一个经典比特只能表示0或1中的一个状态，而n个量子比特却可以同时表示 (2^n) 个状态。滕厚沄给大家算了一笔账：10个量子比特能同时“装下”1024个状态，20个就是一百多万个，如果有300个量子比特，能同时表示的状态数比整个可观测宇宙中的原子总数还要多！这个数字让我们沉默了好一会儿——仿佛一扇通向另一个数学世界的门被悄悄推开了。
刘仲谋紧接着追问了一个所有人都在想的问题：“那它什么时候变成确定的0或1呢？”老师说，就像旋转的硬币被手按住的一瞬间，量子比特一旦被“测量”，叠加态便会塌缩为确定的0或1。所以量子计算的精妙在于：在测量之前，让无数种可能性同时参与运算、相互干涉，最后再用一次测量把最优的答案“拍”出来。
四、中国的量子计算机跑得有多快
课堂上老师还带我们领略了我国在量子计算领域的进展。中国科学技术大学的科学家先后研制出光量子计算原型机“九章”和超导量子计算原型机“祖冲之号”系列。2025年发布的“祖冲之三号”拥有105个可读取比特和182个耦合比特，在处理“量子随机线路采样”这类特定问题时，速度比当时最快的超级计算机快千万亿倍——这是一个我们尝试在纸上写出来，却很快因为零太多而放弃的数字。我国也因此成为在超导和光量子两条技术路线上都实现“量子计算优越性”的国家。
图2 量子计算原型机示意图
贾柠睿听完忍不住感叹：“原来量子计算机不是把普通电脑升级一下、跑得更快那么简单，而是换了一种完全不同的思考方式。”老师点点头，又补了一句：“量子计算机并不会取代经典计算机，它更像一位‘偏科的天才’，专门去攻克密码破译、药物分子模拟、新材料设计这些让经典计算机望而却步的难题，而刷短视频、打游戏这些事，普通电脑干得比它还利索。”
五、量子计算机还差什么
不过，量子计算机距离走进日常生活还有很长一段路。量子叠加态极其“娇气”——温度的一丝波动、环境的一点振动，甚至一个游离的光子，都可能让它“退相干”，也就是叠加态提前塌缩，精心编排的运算化为乌有。为此，许多量子芯片不得不工作在接近绝对零度（零下273摄氏度附近）的极端低温环境里，被层层隔热和屏蔽保护着，像一个住在冰窖深处的精密仪器。
与此同时，科学家还要给量子比特“穿防护服”——这就是量子纠错：用许多个物理比特联手保护一个逻辑比特，在错误蔓延之前及时纠正。老师告诉我们，实现能自我纠错、可灵活编程的通用量子计算机，是全世界科学家正在合力攀登的高峰，而山顶的风景一定值得期待。
六、我们的讨论与感想
讨论环节，我们三个人越聊越兴奋，声音大到隔壁桌回头看了好几次。滕厚沄说，最打动他的是一种观念上的冲击——“换一种装信息的方式，世界就完全不一样了”，这让他第一次感到物理不只是做题，而是一把能撬开世界底层规则的钥匙。贾柠睿的想象力跑得更远，他追问老师：“量子计算机以后能不能帮人类在几秒钟之内算出一种新药的分子结构？”老师说：“这正是科学家们最大的期待之一。”刘仲谋则安静了一会儿后说，他长大后想亲手给量子比特“降温”，看看接近绝对零度的世界究竟是什么样子——“一定比冬天的合肥冷多了”，他加了一句，把大家都逗笑了。
从一枚旋转的硬币到105个量子比特的超导芯片，这次研学让我们明白：科学最迷人的地方，就是把“不可思议”一步步变成“理所当然”。也许等我们长大时，量子计算机早已不再神秘——而我们最大的心愿，就是成为让它不再神秘的那群人。
图3 组装和操作体验过程
参考文献[1] 张建奋. 量子计算机的概念、原理与展望[J]. 物理通报, 2015(04).
[2] 新华社. “祖冲之三号”问世！中国再创全球量子计算优越性里程碑[EB/OL]. 2025-03-03.责任编辑：李银慧
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