Qubit e bit classici

Pezzi classici e qubit sono entrambi portatori di informazioni a due stati, ma obbediscono a regole diverse. Un bit classico è 0 o 1 in qualsiasi momento. Un qubit può essere preparato in uno stato quantistico che combina gli stati di base |0> e |1>, quindi fornisce un risultato probabilistico classico quando misurato.

La differenza fondamentale

Un computer classico memorizza le informazioni in sistemi fisici come tensioni di transistor, domini magnetici o stati di carica. Gli ingegneri scelgono due intervalli stabili e li etichettano 0 e 1. Il rumore è tollerato finché il segnale rimane all'interno dell'intervallo corretto, motivo per cui la logica digitale classica può essere copiata, aggiornata e controllata in modo molto affidabile.

Un qubit è un sistema quantistico controllato con due risultati di misurazione. A seconda dell'hardware, questi risultati potrebbero essere due livelli energetici di uno ione, due stati attuali in un circuito superconduttore, due polarizzazioni di fotoni o due stati di spin. Le etichette 0 e 1 sono ancora utilizzate, ma il sistema evolve secondo la meccanica quantistica finché una misurazione non estrae un risultato classico.

Descrizione matematica

Un modo conveniente per scrivere uno stato qubit è:

|psi> = alpha|0> + beta|1>

Ecco alpha e beta sono ampiezze di probabilità. Le loro grandezze al quadrato danno le probabilità di misurare ciascun risultato:

P(0) = |alpha|^2, P(1) = |beta|^2e |alpha|^2 + |beta|^2 = 1.

Ciò non significa che il qubit sia segretamente un bit normale con un valore sconosciuto. Le ampiezze possono interferire, cambiare fase e combinarsi su più qubit. Questa interferenza è una delle ragioni per cui gli algoritmi quantistici possono comportarsi diversamente dagli algoritmi classici.

Misurazione e copiatura

Quando viene letto un bit classico, l'atto di lettura può essere progettato in modo da lasciare il bit sostanzialmente invariato. I dati classici possono anche essere copiati liberamente: uno 0 può essere duplicato in molti 0 e un 1 può essere duplicato in molti 1. I qubit sono diversi. La misurazione restituisce un risultato classico ordinario, ma trasforma anche lo stato quantistico nel risultato misurato.

Gli stati di qubit sconosciuti non possono essere copiati perfettamente. Questa regola di non clonazione è una delle principali differenze tra l’informazione quantistica e quella classica. Aiuta a spiegare perché la correzione degli errori quantistici è più sottile della correzione degli errori classica: un computer quantistico deve proteggere le informazioni senza semplicemente misurare e duplicare direttamente ogni stato di qubit.

Perché i Qubit sono utili

I qubit diventano potenti quando diversi vengono controllati insieme. Un registro di bit classici memorizza una stringa definita, come 0101. Un registro di qubit può evolvere attraverso uno stato descritto da ampiezze su molte possibili stringhe di bit. Le porte quantistiche modificano quelle ampiezze in modo che le risposte utili vengano amplificate e i percorsi indesiderati vengano annullati dall’interferenza.

Ciò non rende i computer quantistici più veloci per ogni attività. Si prevede che saranno utili per problemi specifici come la simulazione quantistica, alcuni metodi di ottimizzazione, algoritmi crittografici come l'algoritmo di Shor e accelerazioni dello stile di ricerca come l'algoritmo di Grover. I computer classici rimangono migliori per la maggior parte dei carichi di lavoro quotidiani.

Implementazioni fisiche

I circuiti superconduttori sono una delle principali piattaforme hardware per i qubit. Usano giunzioni Josephson e impulsi di controllo delle microonde per creare e manipolare sistemi quantistici artificiali a due livelli su chip. Altri approcci includono ioni intrappolati, atomi neutri, fotoni e qubit di spin semiconduttori. Ciascuna piattaforma presenta dei compromessi in termini di tempo di coerenza, velocità di gate, fabbricazione, ridimensionamento e correzione degli errori.