量子计算机常见术语简介（3）
胡经国
32、粒子
原来，粒子是指能够以自由状态存在的最小物质组分。最早发现的粒子是原子、电子和质子；1932年又发现中子。于是确认，原子由电子、质子和中子组成。电子、质子和中子比起原子来是更为基本的物质组分，被称为基本粒子（FundamentalParticles）。
33、基本粒子
基本粒子（ElementaryParticle）是指人们认知的构成物质的最小或/及最基本的单位，即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。它是组成各种各样物体的基础，并且不会因为小而断定它不是某种物质。但是，在夸克理论提出以后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，因此一般不再提基本粒子这一说法。
根据作用力的不同，基本粒子分为强子、轻子和传播子三大类。
34、强子、轻子和传播子
⑴、强子
强子（Hadron）是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成。已发现的夸克有6种，它们是：顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。其中，理论预言顶夸克的存在，2007年1月30日发现于美国费米实验室。在现有粒子中，绝大部分都是强子；质子、中子、π介子等都属于强子。另外，还发现了反物质，有著名的反夸克，现已被发现并且正在研究其利用方法。由此推测，甚至可能存在反地球、反宇宙。奇怪的是，在夸克中有些竟然比质子还重，这一问题还有待研究。
⑵、轻子
轻子（Lepton）是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强力作用的粒子的总称。与玻色子和夸克不同，所有已知带电轻子都可带有一正电荷或一负电荷，似乎它们是粒子还是反粒子。所有中微子和它们的反粒子都是电中性的。轻子共有6种，包括：电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。
电子、μ子、τ子（重轻子）这三种为带一个单位负电荷的粒子，分别以e-、μ-、τ-表示；以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子这三种为不带电的中微子，分别以ve、νμ、ντ表示。加上以上6种粒子各自的反粒子，共计12种轻子（所有的中微子都不带电，并且所有的中微子都存在反粒子）。τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强力作用，属于轻子；但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫做重轻子。
⑶、传播子
力是由某种粒子传递的。传播子是传递力的粒子的总称。例如，传递强力作用的胶子共有8种，它们可以组成胶子球。光子传递电磁相互作用；而胶子则传递强力相互作用。
35、夸克
夸克（Quark），又译作层子或亏子，是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。由夸克互相结合而形成的一种复合粒子称为强子。强子中最稳定的是质子和中子；它们是构成原子核的单元。由于存在一种叫做“夸克禁闭”的现象，因而夸克不能够直接被观测到，或者不能够被分离出来；只能够在强子里面找到夸克。正是因为这个原因，我们对夸克的了解和认识大都来自对强子的观测。
36、光子
光子（Photon），别称光量子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体；而在量子场论中光子则被认为是电磁相互作用的媒介子。
与大多数基本粒子（如电子和夸克）相比，光子没有静止质量。因为，在爱因斯坦的运动质量公式m=m0/sqr[1-(v/c)]中，光子的v=c，这使得公式分母为0，而光子的运动质量m具有有限值，因此光子的静止质量必须为零。这意味着光子在真空中的传播速度是光速。
38、玻色子、胶子
玻色子（Boson）是依随玻色－爱因斯坦统计、自旋为整数的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理；在低温时，可以发生玻色－爱因斯坦凝聚。玻色子包括：光子和胶子。其中，胶子（Gluons）是指传递夸克之间强相互作用的媒介粒子；它们具有整数自旋（0h，1h，……）；它们的能量状态只能取不连续的量子态，但是允许多个玻色子占有同一种状态，有8种。
这些基本粒子在宇宙中的“用途”是构成实物的粒子（轻子和重子）和传递作用力的粒子（光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。
在这样的一个量子世界里，所有的成员（如光子、粒子、氢原子等）都有标定各自基本特性的4种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。
规范玻色子（SpecificationBoson）是指传递基本相互作用的媒介粒子。它们的自旋都为整数，属于玻色子。它们在粒子物理学的标准模型内都是基本粒子。
40、标准玻色子
41、激子
当原子失去一个或几个电子时，带正电荷，称为阳离子。
络离子（ComplexIon）是指由某些分子、原子或阳离子通过配位键与电中性分子或阴离子形成的复杂离子，例如水合离子。络离子本身可以属于阳离子或阴离子。、量子微观特性
44、叠加原理
量子力学状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，从而使量子信息处理在效率上相比于经典信息处理具有更大的潜力。在普通计算机中的2位寄存器，在某一时间只能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个；而在量子计算机中的2位量子位即量子比特寄存器，则可以同时存储这4种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现出比传统计算机更快的计算和处理速度。
量子叠加（QuantumSuperposition）是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。它曾经用著名的“薛定谔的猫”理论形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。
量子纠缠（QuantumEntanglement）是指当两个微观粒子处于纠缠态时，不论它们相距多远，只要对其中一个粒子的量子态作任何改变，另一个粒子会立刻感受到，并且作相应的改变。量子纠缠可以形象地类似于“孙悟空和他的分身”，二者无论距离多远都“心有灵犀”。
量子有一个非常奇怪的特性，那就是量子叠加。在我们所熟悉的经典世界里，一切都是确定性的。比如说一只猫，它要么是死的，要么是活的。再比如说，你在一栋三层楼里，在某一个具体的时间点，你只可能在其中的一个地点。
然而，在量子世界里却完全不同。只要没有人来干扰（这一说法叫观测、测量或观察），其状态就是不确定的。比如，一只猫既可以是死的，也可以是活的，还可以处在死和活的叠加（状）态上（参考薛定谔的猫）；而你也可以同时在三层楼的任何地点。由于这些不确定性，因而量子不能被准确复制。
46、量子相干性
量子相干性，或者说是“状态之间的关联性”。其中一种说法是在1935年根据假想实验作出的一个预言。这个假想实验是这样的：在高能加速器中，由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行；在没有人观测时，两者都处于向右和向左自旋的叠加态；而在进行观测时，如果观测到电子处于向右自旋的状态，那么正电子就一定处于向左自旋的状态。这是因为，正电子和电子本是通过能量无中生有而来，必须遵守守恒定律。这也就是说，“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的，这就是我们所说的量子相干性。这种相干性只有用量子理论才能说明。
47、量子退相干（消相干）
退相干使得量子计算机与传统计算机不同。量子计算机的运算时间是有限制的。这是因为，量子比特之间的相干性很难保持长时间；在经过一定的时间以后，一旦遇到外界实体的观测，就会失去相干性。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立系统，它会与外部环境发生作用而使量子相干性衰减，即退相干（也叫做消相干）。量子比特从相干状态到失去相干性的这段时间，叫做“退相干时间”。如果退相干时间不能足够长，那么就无法完成计算。所以，延长退相干时间是以后必须解决的重大课题。
48、自旋
在量子力学中，自旋（Spinning）是指由粒子所具有的内禀角动量所引起的粒子内禀运动。任何体系的角动量都是量子化的，其取值只能为s×h/2π。其中，h/2π是约化普朗克常数，s称为自旋量子数。自旋量子数（简称自旋）为整数或者半整数（0,1/2,1,3/2,2，……）。
诸如单一原子、质子、电子甚至光子，都带有正半奇数（1/2、3/2等等）或非负整数（0、1、2）的自旋；带有半整数自旋的粒子被称为费米子（如电子）；而带有整数自旋的粒子则称为玻色子（如光子）。费米－狄拉克统计量子态是由一组量子数所表征的微观粒子的运动状态。量子数是表征微观粒子运动状态和性质的一些特定数值。量子态中的每种量子数，都是量子化的非连续数值；其取值只能是“某个最小量”的整数或者是半奇数倍；这个最小量就是量子，其数值与普朗克常数相关，即以普朗克常数为单位。
51、纠缠态、量子纠缠（态）
纠缠态（Entanglement）或纠缠状态（EntangledState）是指多粒子体系或多自由度体系的一种不能表示为直积形式的叠加态。
直积（DirectProduct）又叫笛卡尔（Descartes）乘积。在矢量空间的研究中，由两个已知的矢量空间构造一个更大的矢量空间有两种方法，即：空间的直和及空间的直积。
量子信息学告诉人们，为了进行远距离的量子密码通信或者量子态隐形传输，人们需要事先让距离遥远的两地共同拥有最大的量子纠缠态。
所谓量子纠缠（QuantumEntanglement），又叫做量子纠结，是指不论两个粒子之间距离有多远，一个粒子的变化都会影响到另一个粒子的现象；也就是说两个粒子之间不论相距多远，从根本上讲它们还是相互联系着的。例如，一个无自旋的粒子分裂成两个粒子，它们的自旋一定相反。但是，在观测到它们的自旋以前，它们是随机的；而对一个粒子的观测则会在瞬时影响到另一个粒子。科学家们认为，这是一种“神奇的力量”；对此爱因斯坦都无法解释，而将其戏称为“遥远的鬼魅行为”。量子纠缠可以成为具有超级计算能力的量子计算机和万无一失的量子保密系统的基础。
2021年3月4日编写于重庆
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