Um bit quântico, também conhecido como qubit, é a unidade básica de dados na computação quântica. Como um bit binário em computadores clássicos, pois pode armazenar informações, mas se comporta de forma muito diferente graças a mecânica quântica.
Computadores quânticos normalmente usam partículas subatômicas, como fótons (pacotes de luz) ou elétrons, como qubits. Em qubits, propriedades como carga, polarização fotônica ou spin representam os 1s e 0s na computação binária. No entanto, qubits também estão sujeitos a fenômenos conhecidos como sobreposição e emaranhamentodevido à sua natureza quântica, que é onde as coisas começam a ficar estranhas.
Bits vs qubits: qual é a diferença?
Além de ser 0 ou 1, como um bit, os qubits podem ocupar ambos os estados ao mesmo tempo — ou uma superposição de 1 e 0. O qubit permanecerá em superposição até que seja diretamente observado ou interrompido por fatores ambientais externos, como calor. Como esse estado quântico é tão delicado, os qubits precisam ser mantidos livres de interferência, o que requer temperaturas muito baixas.
A superposição permite que os qubits de um computador quântico estejam em múltiplos estados (0, 1 ou ambos) e o número de estados possíveis disponíveis cresce exponencialmente quanto mais qubits houver. Se você tem dois bits clássicos, por exemplo, a qualquer momento eles podem assumir os valores de 0,0; 0,1; 1,0; ou 1,1.
Com dois qubits, você pode codificar dados em todos os quatro estados de uma vez. Como tal, os computadores quânticos têm potencialmente muito mais poder de processamento do que os computadores convencionais que usam bits binários. Quanto mais qubits você tiver, mais cálculos poderá processar em paralelo — e isso aumenta exponencialmente se você adicionar mais ao sistema. No entanto, para ver o crescimento exponencial no poder de processamento, você também deve emaranhar os qubits.
Como funciona o emaranhamento?
No emaranhamento quântico, os estados de partículas subatômicas são ligados, independentemente de quão distantes elas possam estar. Obter informações sobre um qubit fornecerá automaticamente informações sobre sua partícula emaranhada.
Partículas emaranhadas estão sempre em um estado correlacionado. Consequentemente, se uma propriedade (como spin) de uma partícula é medida, tirando-a da superposição, a mesma coisa também acontecerá instantaneamente com a partícula emaranhada. Como os estados das duas partículas emaranhadas são sempre correlacionados, saber o estado de uma partícula emaranhada significa que o estado da outra pode ser inferido.
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Em vez de medir diretamente o qubit e, assim, fazer com que ele perca seu estado de superposição, os cientistas estão investigando se pode haver uma maneira de inferir indiretamente informações sobre um qubit a partir de sua interação com o ambiente ao redor.
O emaranhamento quântico de qubits também permite que eles interajam entre si simultaneamente, independentemente da distância entre eles. Quando combinado com a superposição, o emaranhamento quântico teoricamente permite que os qubits aumentem muito o poder de computação dos computadores quânticos, permitindo que eles realizem cálculos complexos que computadores binários poderosos teriam dificuldade para resolver.
Atualmente, isso é possível em pequena escala, mas o desafio é aumentar a escala. Por exemplo, alguns cálculos, como quebrar algoritmos de criptografia, levariam milhões de anos para computadores clássicos executarem. No entanto, se pudéssemos construir um computador quântico com milhões de qubits, esses mesmos algoritmos poderiam ser quebrados em segundos.
Por que os qubits são tão frágeis e propensos à decoerência?
Então por que simplesmente não empilhamos mais e mais qubits para construir uma máquina dessas? Infelizmente, os qubits têm vida curta, e a superposição pode entrar em colapso com a mais tênue das influências ambientais externas, como calor ou movimento. Por essa razão, eles são considerados “barulhentos” e propensos a erros.
Por essa razão, muitos qubits precisam ser resfriados até quase zero absoluto e mantidos usando equipamento especializado. Eles também têm “tempos de coerência” incrivelmente curtos — que é a medida de quanto tempo eles retêm o estado desejado necessário para processar cálculos quânticos. Os tempos de coerência geralmente duram apenas frações de segundo. (O recorde mundial é 10 minutos para um único qubit — mas especialistas acreditam que é improvável que isso seja traduzido para um computador quântico real.) Esse fator também torna os qubits inadequados para armazenamento de dados em longo prazo.
Embora muitos computadores quânticos existam hoje, ainda precisamos aplicar técnicas de “correção de erros” aos qubits para confiar em seus resultados. Um dos principais métodos de correção de erros sob investigação hoje é construir um “qubit lógico.” Um qubit lógico é, na verdade, um grupo de qubits emaranhados e propensos a erros que armazenam as mesmas informações em lugares diferentes. Isso espalha os possíveis pontos de falha enquanto um cálculo está em andamento, corrigindo assim os erros. Se os qubits forem estabilizados o suficiente, com a superposição e o emaranhamento quântico dos qubits no lugar, os computadores quânticos podem um dia realizar cálculos em uma fração do tempo que um computador binário precisaria, bem como resolver equações complexas que são impossíveis até mesmo para os computadores de hoje. supercomputadores mais poderosos.
