物理比特（Physical Qubit）和逻辑比特（Logical Qubit）之间的区别类似于经典计算中晶体管（物理实现）与布尔变量（逻辑抽象）的区别，但量子计算中的差异更为关键，主要围绕容错性 和稳定性展开。
- 物理比特 (Physical Qubit)
物理比特是量子计算机硬件中最基本的存储单元。它们是实际存在的物理系统，用于实现量子力学原理：
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | 存储一个量子比特的基本信息 |
| 实现方式 | 超导电路（如 Google 和 IBM）、捕获离子（如 Quantinuum）、光子、中性原子等。 |
| 主要问题 | 极易出错 。它们受环境噪声影响严重（如温度波动、电磁干扰），导致退相干（Decoherence）和计算错误。 |
物理比特实现的功能：
- 基本量子操作： 执行 Hadamard 门、旋转门、CNOT 门等基本量子门操作。
- 信息载体： 作为量子计算中最直接的数据载体。
- 直接交互： 与环境直接发生物理交互，容易丢失量子特性。
- 逻辑比特 (Logical Qubit)
逻辑比特是一种高度抽象和受保护的量子信息单元。它不是一个单一的物理实体，而是由多个（通常是大量）物理比特通过编码和纠错算法组合而成的。
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 功能 | 提供一个稳定、可靠、容错的量子信息存储和处理单元。 |
| 实现方式 | 依赖于量子纠错码（Quantum Error Correction, QEC），例如表面码（Surface Code）。 |
| 主要优势 | 抗噪性强。通过冗余编码，即使几个底层的物理比特发生错误，逻辑比特存储的信息依然可以被恢复。 |
逻辑比特实现的功能：
- 错误缓解与容错： 其核心功能是克服物理比特的固有脆弱性，保护量子态免受环境噪声影响。
- 实现可靠的算法： 为运行实际、复杂的量子算法提供必要的稳定性，使计算结果具备高置信度。
- 抽象硬件复杂性： 允许程序员和算法设计者在理想化的、无噪声的模型下工作，而不必担心底层的硬件故障。
- 在物理层面上，对单个物理比特施加一个 Hadamard 门很简单。但在逻辑层面上，这个操作必须作用于由多个物理比特编码而成的整个代码空间 （code space），并且要保持纠错码的有效性。
实现逻辑门主要有以下几种方式：
1). 平行操作与测量反馈 (Parallel Operations & Measurement Feedback)
最直观的方法是同时对编码逻辑比特的所有物理比特应用特定的操作序列。
例如，一个逻辑 Hadamard 门可能需要同时或按顺序对组成逻辑比特的 1000 个物理比特执行一系列物理 H 门、CNOT 门以及随后的错误测量和校正操作。这个过程必须精心设计，以确保错误不会扩散，并且纠错码的特性得以维持。
2). 缠绕技巧 (Code Deformation or Lattice Surgery)
在某些量子纠错码（如表面码）中，有一种称为"晶格手术"（Lattice Surgery）的技术。
- 实现 CNOT 门： 两个逻辑比特的 CNOT 操作并不是简单地在它们之间拉一根线。它可能涉及到暂时"合并"或"缠绕"两个逻辑区域的边界，执行特定的测量序列，然后再将它们"分离"。这个过程极其复杂，涉及大量的中间测量和经典反馈控制。
3). 魔态蒸馏 (Magic State Distillation)
某些门（特别是 T 门，它是实现通用计算所必需的一个关键旋转门）很难直接在逻辑层面上实现。
- 解决方案： 量子计算机需要"蒸馏"出高质量的辅助量子态（称为"魔态"）。这个过程通过消耗大量的物理比特和执行一系列操作来实现。一旦蒸馏出高质量的魔态，就可以将其与目标逻辑比特进行交互，从而执行所需的逻辑 T 门。
核心差异总结
| 区别点 | 物理比特 (Physical Qubit) | 逻辑比特 (Logical Qubit) |
|---|---|---|
| 本质 | 单个硬件单元 | 多个物理比特的集合（编码组） |
| 稳定性 | 不稳定，易受噪声干扰 | 稳定，具备容错能力 |
| 数量需求 | 数量庞大（例如，需要几千个） | 数量相对较少（例如，只需要几十个） |
| 计算角色 | 执行原始门操作 | 执行可靠的、纠错后的逻辑操作 |
简单来说：物理比特是砖块，而逻辑比特是用许多砖块搭建成的具有安全保障的房间。
在构建通用的、有用的量子计算机的道路上，从不稳定的物理比特过渡到稳定的逻辑比特，是目前量子工程学面临的最大挑战之一。