Vad är en kvantbit?

Det är den mest grundläggande informationsenheten inom kvantberäkning

Så här fungerar kvantbitar

På samma sätt som en binär bit är den grundläggande informationsenheten vid klassisk (eller traditionell) beräkning, är en kvantbit den grundläggande informationsenheten vid kvantberäkning. Kvanttekniken bidrar till nya upptäckter inom vitt skilda områden såsom hälsovård, energiförvaltning, miljösystem, smarta material och mycket mer.

Kvantbit jämfört med bit

Kvantbitar representeras som en superposition med flera möjliga tillstånd

En kvantbit använder ett kvantmekaniskt fenomen kallat superposition för att hitta en linjär kombination av två tillstånd. En klassisk binär bit kan bara representera ett enda binärt värde, till exempel 0 eller 1, vilket betyder att den bara kan ha ett av två möjliga tillstånd. En kvantbit kan däremot representera 0, 1 eller en del av 0 och 1 i superposition med de båda tillstånden, med en viss sannolikhet att den är 0 och en viss sannolikhet att den är 1.

Superposition ger kvantdatorer överlägsen beräkningskraft

Superposition gör att kvantalgoritmer kan bearbeta information på en bråkdel av den tid det skulle ta för de allra snabbaste klassiska systemen att lösa vissa problem.

  • Mängden information som ett kvantbitssystem kan representera ökar exponentiellt. Information som 500 kvantbitar enkelt kan representera skulle inte vara möjligt ens med mer än 2^500 klassiska bitar.
  • Det skulle ta flera miljoner år för en klassisk dator att hitta primtalsfaktorerna för ett 2 048-bitars tal. Kvantbitar kan utföra beräkningen på bara några minuter.

Det finns många fysiska implementeringar med kvantbitar

Medan klassiska datorer använder typiska silikonbaserade kretsar, kan kvantbitar (även kallade ”kvantdatorbitar”) bestå av fångade joner, fotoner, artificiella eller riktiga atomer eller kvasipartiklar. I vissa implementeringar, beroende på arkitektur och kvantbitssystem, måste kvantbitarnas temperatur vara i princip absolut noll.

Superposition, interferens och sammanflätning

Superposition gör det möjligt för kvantalgoritmer att använda andra kvantmekaniska fenomen, till exempel interferens och sammanflätning. Tillsammans ger superposition, interferens och sammanflätning databehandlingskraft som kan lösa problem exponentiellt snabbare än vad som är möjligt med klassiska datorer.

Interferens

En konsekvens av superposition är interferens. Det kan förekomma interferens mellan kvantbitarnas tillstånd eftersom varje tillstånd beskrivs med en sannolikhetsamplitud, precis som amplituden hos vågor.

Konstruktiv interferens förbättrar amplituden, medan det motsatta sker vid destruktiv interferens. Dessa effekter utnyttjas i kvantberäkningsalgoritmer, vilket inte är fallet med klassiska algoritmer. Interferens används tillsammans med sammanflätning för att möjliggöra den kvantacceleration som kvanttekniken utlovar.

Sammanflätning

Flera kvantbitar kan vara sammanflätade. Sammanflätade kvantbitar korrelerar alltid med varandra för att bilda ett enda system. Även om de är oändligt långt ifrån varandra kan vi genom att mäta den ena kvantbiten ta reda på den andra kvantbitens tillstånd, utan att mäta den direkt.

Sammanflätning krävs för all kvantberäkning men kan inte utföras på ett effektivt sätt på en klassisk dator. Exempel på tillämpningar är faktorisering av stora tal (Shors algoritm) och att lösa problem med sökningar (Grovers algoritm).

Kvantbitarnas framtid

I takt med att kvanttekniken utvecklas närmar vi oss lösningar på några av världens svåraste utmaningar. Det här nya paradigmet har en enorm potential, men kvanttekniken är fortfarande i sin linda.

Kvantbitar är känsliga

En av de största utmaningarna vid kvantberäkning är att kvantbitarna är väldigt känsliga. Sammanflätning av kvantsystemet med dess miljö, inklusive mätningsinställningarna, kan lätt orsaka störningar i systemet som ger upphov till dekoherens. För att komma till rätta med detta fokuserar utvecklingen på att förbättra såväl maskinvaran för kvantberäkning som felkorrigeringsmetoder.

Topologiska kvantbitar är mer stabila

För att lösa problemet med kvantbitarnas känslighet använder Microsoft topologiska kvantbitar, som stabiliseras genom att man manipulerar deras struktur och omger dem med kemiska föreningar som skyddar dem mot kontaminering utifrån. Kvantpartiklarnas topologiska egenskaper skyddar de topologiska kvantbitarna mot brus, vilket gör Microsofts kvantmaskinvara mer robust i fråga om fel. Den bättre stabiliteten gör att kvantdatorn kan skalas för att utföra längre, mer komplexa beräkningar som möjliggör mer komplexa lösningar.

Azure Quantum-resurser

Azure Quantum är ett heltäckande öppet molnekosystem. Du kan börja skapa kvantlösningar med förhandsversionen redan nu. Få åtkomst till programvara, maskinvara och färdiga lösningar och börja utveckla på en betrodd, skalbar och mycket säker plattform.