Hvad er en qubit?

Det er den grundlæggende informationsenhed i kvanteberegning

En forklaring af, hvad qubits er

På samme måde som en binær bit er den grundlæggende informationsenhed i klassisk (eller traditionel) databehandling, er en qubit (eller kvantebit) den grundlæggende informationsenhed i kvanteberegning. Kvanteberegning danner basis for nye opdagelser inden for sundhedsvæsenet, energiområdet, miljøsystemer, intelligente materialer med mere.

Qubit versus bit

Qubits repræsenteres af en superposition af flere mulige tilstande

En qubit bruger det kvantemekaniske fænomen superposition til at opnå en lineær kombination af to tilstande. En klassisk binær bit kan kun repræsentere en enkelt binær værdi, f. eks. 0 eller 1, hvilket betyder, at den kun kan være i én af to mulige tilstande. En qubit kan imidlertid repræsentere 0, 1 eller en vilkårlig del af 0 og 1 i superposition af begge tilstande med en given sandsynlighed for at være 0 og en given sandsynlighed for at være 1.

Superposition giver kvantecomputere en uovertruffen databehandlingskapacitet

Med superposition kan kvantealgoritmer behandle oplysninger på en brøkdel af den tid, det tager for selv de hurtigste klassiske systemer at løse bestemte problemer.

  • Den mængde informationer, som et qubit-system kan repræsentere, vokser eksponentielt. 500 qubits kan nemt repræsentere lige så mange informationer som mere end 2^500 klassiske bit ville kunne.
  • Det vil tage en klassisk computer millioner af år at finde primfaktorerne for et 2.048-bit tal. Qubits kan udføre beregningen på blot få minutter.

Der er mange fysiske implementeringer af qubits

Hvor klassiske computere bruger velkendte siliciumbaserede chips, kan qubits (også kaldet "kvantecomputer-qubits") fremstilles af fangede ioner, fotoner, kunstige eller virkelige atomer eller kvasipartikler. Afhængigt af arkitekturen og qubit-systemerne skal qubits i nogle implementeringer holdes på en temperaturer, der er tæt på nul.

Superposition, interferens og sammenfiltring

Superposition gør det muligt for kvantealgoritmer at bruge andre kvantemekaniske fænomener, f. eks. interferens og sammenfiltring. Sammen skaber superposition, interferens og sammenfiltring en beregningskraft, der kan løse problemer eksponentielt hurtigere end klassisk computere.

Interferens

En konsekvens af superposition er interferens. Qubit-tilstande kan interferere med hinanden, da hver tilstand beskrives ved hjælp af en sandsynlighedsamplitude, fuldstændig ligesom bølgers amplitude.

Konstruktiv interferens forbedrer amplituden, mens destruktiv interferens annullerer amplituden. Disse effekter bruges i kvanteberegningsalgoritmer, hvilket gør dem fundamentalt anderledes end klassiske algoritmer. Interferens bruges sammen med sammenfiltring til at aktivere den kvanteacceleration, kvanteberegningen giver løfte om.

Sammenfiltring

Flere qubits kan have kvantesammenfiltring. Sammenfiltrede qubits er altid korreleret med hinanden, så de danner ét system. Selv når de er uendelig langt væk, kan vi ved at måle tilstanden for en af qubits'erne, se den andens tilstand, uden at det er nødvendigt at måle den direkte.

Sammenfiltring er påkrævet til enhver kvanteberegning, og den kan ikke effektivt udføres på en klassisk computer. Anvendelsesområderne omfatter faktorisering af store tal (Shors algoritme) og løsning af søgeproblemer (Grovers algoritme).

Qubits fremtid

Efterhånden som kvanteteknologien forbedres, kommer vi tættere på at finde løsninger på nogle af verdens mest udfordrende problemer. Selvom dette nye paradigme har et utroligt potentiale, er kvanteberegning stadig i startfasen.

Qubits er skrøbelige

En af de vigtigste udfordringer i kvanteberegning er qubits skrøbelige natur. Sammenfiltring af qubit-systemet og dets miljø, herunder målingskonfigurationen, kan nemt forstyrre systemet og medføre dekoherens. Derfor udvikles der aktuelt forbedringer inden for konstruktion af hardware til kvanteberegning og metoder til fejlrettelse.

Topologiske qubits er mere stabile

Microsoft bruger topologiske qubits for at imødegå udfordringen ved skrøbelighed. For at stabilisere dem manipuleres deres struktur, og de omgives af kemiske forbindelser, der beskytter dem mod ekstern kontamination. Topologiske qubits er beskyttet mod støj på grund af kvasipartiklernes topologiske egenskaber, der gør Microsoft Quantum-hardwaren mere robust over for fejl. Den øgede stabilitet hjælper kvantecomputeren med at skalere for at fuldføre længere, mere komplekse beregninger, så mere komplekse løsninger bliver mulige.

Ressourcer til Azure Quantum

Skab kvanteløsninger i dag som tidlig bruger af Azure Quantum Preview, der er et åbent cloudøkosystem med fuld stak. Få adgang til software, hardware og forhåndsskabte løsninger, og begynd at udvikle på en pålidelig, skalerbar og yderst sikker platform.