量子计算机和通信是什么？它们又有什么意义？为什么它们需要测量粒子的量子态？这些问题可能会困扰许多对量子科技感兴趣的朋友。今天将为您解答这些问题，并介绍一种更有效的测量方法，以及它的应用和前景。

量子计算机是一种利用量子力学原理进行信息处理的计算机。它与传统的经典计算机有很大的不同。经典计算机使用二进制（0和1）来存储和处理信息，每个二进制位（或称“比特”）只能处于0或1的状态。而量子计算机使用量子比特（或称“量子位”）来存储和处理信息，每个量子比特可以同时处于0和1的叠加状态，也可以与其他量子比特产生纠缠，即两个或多个量子比特的状态相互关联。

量子通信它与传统的经典通信也有很大的不同。经典通信使用电磁波（如光波或无线电波）来传输信息，但这种方式容易受到干扰或窃听。而量子通信使用量子态（如光子或原子）来传输信息，但这种方式具有很高的安全性和可靠性。因为任何对量子态的测量或干扰都会改变量子态，从而被发送者和接收者察觉。这就使得量子通信能够实现牢不可破的密码和超远距离的传输。

量子计算机和通信的概念最早由理论物理学家理查德·费曼在20世纪80年代提出，但直到20世纪90年代后期，才有了实质性的进展。彼得·秀尔发明了用于质因数分解的量子算法，有可能破解RSA加密算法，一种广泛使用的数据加密传输方法；潘建伟等人实现了从地面到卫星的量子纠缠和量子隐形传态，打破了量子通信的距离限制。

要让量子计算机和通信发挥作用，就必须测量光子或原子等粒子的量子态。量子态是描述粒子特性（如动量或能量）的数字。但是，测量量子态既困难又耗时，因为这样做本身就会改变量子态，而且量子态的数学运算也很复杂。现在，一个国际研究小组称，他们找到了一种更有效的方法，可以更简单地构建量子力学技术。

在《自然-通讯》杂志上详述的一项研究中，来自罗切斯特大学和格拉斯哥大学的研究人员直接测量了光子的 27 维量子态。这些维度是数学维度，而不是空间维度，每个维度都是一个存储信息的数字。要理解 27 维量子态，可以想想用二维描述的一条线。一条线在 X 和 Y 坐标上有一个方向–比如说，向左 3 英寸，向上 4 英寸。量子态有 27 个这样的坐标。

"现任维也纳大学博士后研究员的马利克说：“我们选择 27 个字母，是想说明字母表中有 26 个字母，再加上一个字母。这意味着每个量子比特（或称 “量子位”）可以存储一个字母，而不是简单的 1 或 0。”

由马利克和罗切斯特大学光学与物理学教授罗伯特-博伊德领导的研究小组能够直接看到光子的状态。他们测量了光子的轨道角动量，即光粒子在太空中传播时的 "扭曲 "程度。

通常，找到光子的量子态需要两个步骤。首先，科学家必须测量光子的某些属性，如偏振或动量。测量是在光子量子态的许多副本上进行的。但这一过程有时会产生误差。为了消除误差，科学家们必须查看他们得到的结果中有哪些是 "不允许 "的状态，即不符合物理定律的状态。但找到它们的唯一方法就是搜索所有结果，摒弃那些不可能的结果。这需要耗费大量的计算时间和精力。这个过程被称为量子断层扫描。

光波是电场和磁场的组合，每一个电场和磁场都会振荡并产生波。每种波与另一种波同时运动，并且相互垂直。一束光就是由许多这样的波组成的。

光可以有所谓的轨道角动量。在一束没有轨道角动量的光束中，波峰（例如电波）是排列在一起的。连接这些波峰的平面是平的。如果光束具有轨道角动量，那么连接这些波峰的平面就会呈现螺旋状。

这两种测量中的一种称为 "弱 "测量，另一种称为 "强 "测量。通过测量两种特性，可以重建光子的量子态，而无需进行断层扫描所需的冗长纠错计算。

在量子计算机中，粒子的量子态就是存储量子比特的量子态。例如，量子比特可以存储在光子的偏振或轨道角动量中，也可以两者兼而有之。原子也可以在其动量或自旋中存储量子比特。

目前的量子计算机只有几个比特。马利克指出，使用离子的记录是 14 量子比特。大多数情况下，离子或光子只能存储几个比特，因为它们的状态是二维的。他说，物理学家使用二维系统，因为这是他们可以操纵的–要操纵超过二维的系统是非常困难的。

相对于断层扫描，直接测量应该更容易测量粒子（这里指光子）的状态。这意味着增加更多的维度–三维、四维，甚至像本实验中的 27 维–并存储更多信息将变得更加简单。

纽约亨特学院物理学教授马克-希勒里对直接测量是否一定优于现有技术持怀疑态度。"希勒里在一封电子邮件中写道："关于弱测量存在争议，特别是它们是否真的有用。“在我看来，这里的主要问题是他们使用的技术是否比量子态层析技术更好（更有效）地重建量子态，而在结论中，他们说他们并不真正知道。”

加拿大西蒙弗雷泽大学的硕士研究生研究员杰夫-萨维尔曾在博伊德的实验室研究过类似的直接测量问题，马利克的研究也引用了他的研究成果。他在一封电子邮件中说，更令人兴奋的影响之一是 “测量问题”。也就是说，在量子力学系统中，为什么一些测量会破坏量子态，而另一些不会，这是一个比量子技术本身更深奥的哲学问题。"他说："直接测量技术为我们提供了一种方法，可以直接看到我们所处理的量子态的核心。这并不意味着它没有用处–远非如此。"他说："它还可能应用于成像领域，因为了解图像的波函数而不是方波，可能会非常有用。

马利克同意需要进行更多的实验，但他仍然认为直接测量的优势可能在于其相对速度。"他说：“断层扫描可以减少误差，但后期处理计算可能需要数小时。”