O que é um qubit?

É a unidade básica de informações na computação quântica

Qubit explicado

Assim como um bit binário é a unidade básica de informações na computação clássica (ou tradicional), um qubit (ou um bit quântico) é a unidade básica de informações na computação quântica. A computação quântica está impulsionando novas descobertas em saúde, energia, sistemas ambientais, materiais inteligentes e muito mais.

Qubit vs bit

Qubits são representados por uma superposição de vários estados possíveis

Um qubit usa os fenômenos da mecânica quântica de superposição para obter uma combinação linear de dois estados. Um bit binário clássico pode representar apenas um único valor binário, como 0 ou 1, o que significa que ele só pode estar em um dos dois estados possíveis. Um qubit, no entanto, pode representar um 0, um 1 ou qualquer proporção de 0 e 1 na superposição de ambos os estados, com uma determinada probabilidade de ser 0 e uma determinada probabilidade de ser 1.

A superposição dá aos computadores quânticos um poder de computação superior

A superposição permite que os algoritmos quânticos processem informações em uma fração do tempo que levaria até os sistemas clássicos mais rápidos para resolver determinados problemas.

  • A quantidade de informações que um sistema qubit pode representar aumenta exponencialmente. As informações que 500 qubits podem representar facilmente não seriam possíveis nem mesmo com mais de 2^500 bits clássicos.
  • Um computador clássico levaria milhões de anos para encontrar os fatores primos de um número de 2.048 bits. Os qubits poderiam executar o cálculo em apenas minutos.

Há muitas implementações físicas dos qubits

Enquanto os computadores clássicos usam chips conhecidos à base de silício, os qubits (às vezes chamados de “qubits de computadores quânticos”) podem ser feitos de íons aprisionados, fótons, átomos artificiais ou reais ou quasipartículas. Dependendo da arquitetura e dos sistemas qubit, algumas implementações precisam que seus qubits sejam mantidos em temperaturas próximas ao zero absoluto.

Superposição, interferência e emaranhamento

A superposição permite que os algoritmos quânticos utilizem outros fenômenos da mecânica quântica, como interferência e emaranhamento. Juntos, superposição, interferência e emaranhamento criam potência de computação que pode resolver problemas exponencialmente mais rápido que os computadores clássicos.

Interferência

Uma consequência da superposição é a interferência. Os estados qubit podem interferir uns com os outros porque cada estado é descrito por uma amplitude de probabilidade, assim como as amplitudes de ondas.

A interferência construtiva aumenta a amplitude, enquanto a interferência destrutiva cancela a amplitude. Esses efeitos são usados em algoritmos de computação quântica, que os tornam fundamentalmente diferentes dos algoritmos clássicos. A interferência é usada junto com o emaranhamento para habilitar a aceleração quântica prometida pela computação quântica.

Emaranhamento

Vários qubits podem exibir emaranhamento quântico. Qubits emaranhados sempre se correlacionam entre si para formar um único sistema. Mesmo quando estão infinitamente distantes, medir o estado de um dos qubits nos permite saber o estado do outro, sem a necessidade de medi-lo diretamente.

O emaranhamento é necessário para qualquer computação quântica e não pode ser executado com eficiência em um computador clássico. As aplicações incluem a fatoração de grandes números (algoritmo de Shor) e resolução de problemas de pesquisa (algoritmo de Grover).

O futuro dos qubits

À medida que as tecnologias quânticas avançam, chegamos mais perto de encontrar soluções para alguns dos problemas mais desafiadores do mundo. Embora esse novo paradigma tenha um potencial incrível, a computação quântica ainda está engatinhando.

Qubits são frágeis

Um dos obstáculos mais significativos na computação quântica é a natureza frágil dos qubits. O emaranhamento do sistema qubit com seu ambiente, incluindo a configuração de medida, poderia facilmente perturbar o sistema e causar decoerência. Portanto, os avanços na construção do hardware de computação quântica e nos métodos de correção de erros estão sendo desenvolvidos no momento.

Qubits topológicos são mais estáveis

Para enfrentar o desafio da fragilidade, a Microsoft usa qubits topológicos, que são estabilizados manipulando a estrutura deles e envolvendo-os com alguns compostos químicos que os protegem contra contaminação externa. Qubits topológicos são protegidos contra ruído devido às propriedades topológicas das quasipartículas, tornando o hardware quântico da Microsoft mais robusto em relação a erros. Essa maior estabilidade ajudará a escala do computador quântico a realizar cálculos mais longos e complexos para trazer soluções mais complexas ao alcance.

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