Un qubit è un bit quantistico, la controparte nell'informatica quantistica della cifra binaria o bit dell'informatica classica. Proprio come un bit è l'unità di base delle informazioni in un computer classico, un qubit è l'unità di base delle informazioni in un computer quantistico.
In un computer quantistico, è possibile utilizzare un certo numero di particelle elementali come elettroni o fotoni (in pratica, il successo è stato ottenuto anche con gli ioni), con la loro carica o polarizzazione che agisce come una rappresentazione di 0 e / o 1. Ciascuno di queste particelle sono note come qubit; la natura e il comportamento di queste particelle (espresse nella teoria quantistica) costituiscono la base del calcolo quantistico. I due aspetti più rilevanti della fisica quantistica sono i principi di sovrapposizione e entanglement.
sovrapposizione
Pensa a un qubit come a un elettrone in un campo magnetico. Lo spin dell'elettrone può essere allineato al campo, noto come a accelerare stato, o opposto al campo, noto come a spin-down stato. La modifica dello spin dell'elettrone da uno stato all'altro si ottiene utilizzando un impulso di energia, ad esempio da un laser - diciamo che usiamo 1 unità di energia laser. Ma cosa succede se usiamo solo mezza unità di energia laser e isoliamo completamente la particella da tutte le influenze esterne? Secondo la legge quantistica, la particella entra quindi in una sovrapposizione di stati, in cui si comporta come se fosse in entrambi gli stati contemporaneamente. Ogni qubit utilizzato potrebbe richiedere una sovrapposizione sia di 0 che di 1. Pertanto, il numero di calcoli che un computer quantistico potrebbe eseguire è 2 ^ n, dove n è il numero di qubit utilizzati. Un computer quantistico composto da 500 qubit avrebbe il potenziale per eseguire 2 ^ 500 calcoli in un unico passaggio. Questo è un numero impressionante - 2 ^ 500 sono infinitamente più atomi di quanti ce ne siano nell'universo conosciuto (questa è la vera elaborazione parallela - i computer classici oggi, anche i cosiddetti processori paralleli, fanno ancora solo una cosa alla volta: ci sono solo due o più di loro lo fanno). Ma come interagiranno tra loro queste particelle? Lo farebbero tramite l'entanglement quantistico.
aggrovigliamento
Le particelle che hanno interagito a un certo punto mantengono un tipo di connessione e possono essere intrecciate l'una con l'altra a coppie, in un processo noto come correlazione. Conoscere lo stato di rotazione di una particella entangled - su o giù - consente di sapere che lo spin della sua compagna è nella direzione opposta. Ancora più sorprendente è la consapevolezza che, a causa del fenomeno della sovrapposizione, la particella misurata non ha una singola direzione di spin prima di essere misurata, ma si trova contemporaneamente in uno stato di spin-up e spin-down. Lo stato di spin della particella da misurare viene deciso al momento della misurazione e comunicato alla particella correlata, che contemporaneamente assume la direzione di spin opposta a quella della particella misurata. Questo è un fenomeno reale (Einstein lo chiamava "azione spettrale a distanza"), il cui meccanismo non può ancora essere spiegato da nessuna teoria - deve semplicemente essere considerato come dato. L'entanglement quantistico consente ai qubit separati da distanze incredibili di interagire tra loro istantaneamente (non limitato alla velocità della luce). Non importa quanto sia grande la distanza tra le particelle correlate, rimarranno impigliate fintanto che sono isolate.
Presi insieme, la sovrapposizione quantistica e l'entanglement creano una potenza di calcolo enormemente potenziata. Laddove un registro a 2 bit in un normale computer può memorizzare solo una delle quattro configurazioni binarie (00, 01, 10 o 11) in un dato momento, un registro a 2 qubit in un computer quantistico può memorizzare tutti e quattro i numeri contemporaneamente, perché ogni qubit rappresenta due valori. Se vengono aggiunti più qubit, la capacità aumentata viene espansa in modo esponenziale.