O que é um qubit?

É a unidade fundamental de informação da computação quântica

Os qubits explicados

Da mesma forma que um bit binário é a unidade básica de informação na computação clássica (ou tradicional), o qubit (ou bit quântico) é a unidade básica de informação na computação quântica. A computação quântica está a gerar novas descobertas em cuidados de saúde, energia, sistemas ambientais, materiais inteligentes, entre muitas outras áreas.

Qubit vs. bit

Os qubits são representados por uma superposição de vários estados possíveis

Os qubits utilizam o fenómeno mecânico quântico da superposição para alcançar uma combinação linear de dois estados. Os bits binários clássicos só conseguem representar um valor binário, como 0 ou 1, o que significa que só podem estar num de dois estados possíveis. Contudo, os qubits podem representar 0, 1 ou qualquer proporção de 0 e 1 em 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 aos algoritmos quânticos processar informações a uma fração do tempo que os sistemas clássicos mais rápidos demorariam para resolver determinados problemas.

  • A quantidade de informações que os sistemas de qubits podem representar cresce exponencialmente. As informações que 500 qubits podem facilmente representar não seriam possíveis nem mesmo com mais de 2^500 bits clássicos.
  • Um computador clássico poderia demorar milhões de anos a encontrar os fatores primos de um número de 2048 bits. Os qubits podem fazer o cálculo numa questão de minutos.

Existem muitas implementações físicas de qubits

Ao passo que os computadores clássicos utilizam os familiares chips de silício, os qubits (por vezes, denominados "qubits de computador quântico") podem consistir em iões presos, fotões, átomos artificiais ou reais ou quase-partículas. Consoante a arquitetura e os sistemas de qubits, em algumas implementações é necessário que os qubits estejam a temperaturas perto do zero absoluto.

Superposição, interferência e entrelaçamento

A superposição permite aos algoritmos quânticos utilizar outros fenómenos mecânicos quânticos, como a interferência e o entrelaçamento. Em conjunto, a superposição, a interferência e o entrelaçamento criam um poder de computação capaz de resolver problemas exponencialmente mais depressa do que os computadores clássicos.

Interferência

Uma consequência da superposição é a interferência. Os estados dos qubits podem interferir entre si porque cada estado é descrito por uma amplitude de probabilidade, exatamente como as amplitudes das ondas.

A interferência construtiva melhora a amplitude, ao passo que a interferência destrutiva a cancela. Estes efeitos são utilizados nos algoritmos de computação quântica, o que os torna completamente diferentes dos algoritmos clássicos. A interferência é utilizada em conjunto com o entrelaçamento para permitir a aceleração quântica que a computação quântica proporciona.

Entrelaçamento

Muitos qubits podem apresentar entrelaçamento quântico. Os qubits entrelaçados estão sempre correlacionados entre si, formando um sistema individual. Mesmo quando estão infinitamente distantes, medir o estado dos qubits permite-nos saber o estado dos outros sem termos de os medir diretamente.

O entrelaçamento é obrigatório para qualquer computação quântica e não pode ser feito eficazmente em computadores clássicos. As aplicações incluem a fatorização de números grandes (algoritmo de Shor) e a resolução de problemas (algoritmo de Grover).

O futuro dos qubits

À medida que as tecnologias quânticas avançam, ficamos mais perto de encontrar soluções para alguns dos problemas mais desafiantes do mundo. Apesar de este novo paradigma ter um potencial incrível, a computação quântica ainda está a dar os primeiros passos.

Os qubits são frágeis

Um dos obstáculos mais significativos na computação quântica é a natureza frágil dos qubits. O entrelaçamento do sistema de qubits com o seu ambiente, incluindo a configuração da medição, pode facilmente perturbar o sistema e provocar incoerência. Por esse motivo, estão a ser atualmente desenvolvidos avanços na criação do hardware da computação quântica e nos métodos de correção de erros.

Os qubits topológicos são mais estáveis

Para dar resposta ao desafio da fragilidade, a Microsoft utiliza qubits topológicos, que são estabilizados através da manipulação da sua estrutura e ao seu redor com compostos químicos que os protegem contra contaminação externa. Os qubits topológicos estão protegidos do ruído devido às propriedades topológicas de quase-partícula, o que faz com que o hardware quântico da Microsoft seja mais robusto face a erros. Este aumento na estabilidade ajudará o computador quântico a dimensionar-se para concluir computações mais complexas e demoradas e dar soluções mais complexas dentro de alcance.

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