Qubit

Van Wikipedia

Een qubit of qbit (ook: kwantumbit of quantum bit (Engels)) is een eenheid van kwantuminformatie. Die informatie wordt beschreven door een toestand in een kwantummechanisch systeem met twee niveaus, dat formeel equivalent is aan een tweedimensionale vectorruimte over de complexe getallen. De twee basistoestanden (of vectorruimtes) worden gewoonlijk geschreven als $|0 \rangle$ en $|1 \rangle$ (uitspraak: 'ket 0' en 'ket 1'), volgens de gebruikelijke bra-ketnotatie voor kwantumtoestanden. Een qubit kan dus worden gezien als een kwantummechanische versie van een klassieke databit. Een pure qubittoestand is een lineaire kwantumsuperpositie van deze twee toestanden. Dat betekent dat elke qubit kan worden weergegeven als een lineaire combinatie van $|0 \rangle$ en $|1 \rangle$ :

$| \psi \rangle = \alpha |0 \rangle + \beta |1 \rangle,\,$

waar α en β complexe kansamplitudes zijn. Voor α en β geldt de randvoorwaarde

$| \alpha |^2 + | \beta |^2 = 1. \,$

Dit verschilt sterk van de toestand van een klassieke bit, die alleen 0 of 1 kan zijn.

Een belangrijke eigenschap die de qubit onderscheidt van een klassieke bit is dat meerdere qubits kwantumverstrengeling kunnen vertonen. Verstrengeling is een niet-lokale eigenschap die het mogelijk maakt dat een verzameling qubits superposities van verschillende binaire tekenreeksen (01010 and 11111, bijvoorbeeld) tegelijkertijd uitdrukt. Verstrengeling is een noodzakelijk bestanddeel van elke kwantumberekening op een klassieke computer. Het gebruik van verstrengeling in kwantumcomputing wordt wel "quantum parallelism" genoemd en biedt een mogelijk verklaring voor de kracht van kwantumcomputers: aangezien een computer zich kan bevinden in een toestand die een kwantumsuperpositie is van veel verschillende klassieke computationele paden, kunnen deze paden alle tegelijkertijd worden bewandeld.

Een aantal qubits tezamen vormen een qubitregister. Kwantumcomputers voeren hun berekeningen uit door qubits te manipuleren.

Analoog aan qubit en het klassieke begrip trit heet een eenheid van kwantuminformatie in een kwantumsysteem met drie niveaus een qutrit.

Benjamin Schumacher heeft een wijze ontdekt waarop kwantumtoestanden als informatie kunnen worden geïnterpreteerd. Hij ontwikkelde een manier om de informatie in een toestand te comprimeren, en in een kleiner aantal toestanden op te slaan. Dit staat nu bekend als Schumachercompressie. Schumacher wordt ook beschouwd als de bedenker van de term qubit.

De toestandsruimte van een enkele qubit kan meetkundig worden gerepresenteerd door de Blochbol. Dit is een tweedimensionale ruimte met een onderliggende geometrie van het oppervlak van een bol. Dit betekent in essentie dat de enkelequbitregisterruimte twee lokale vrijheidsgraden heeft. Een n-qubit registerruimte heeft 2ⁿ⁺¹ − 2 vrijheidsgraden. Dit is veel groter dan 2n, wat men klassiek, zonder verstrengeling, zou verwachten.

Op 17 augustus 2006 zijn onderzoekers van de Technische Universiteit Delft er als eerste in de wereld in geslaagd een elektron te 'temmen'. Ze waren hierbij in staat de richting van een elektron waarin deze spint te bepalen, waardoor de eerste praktische stappen naar een quantumcomputer zijn gezet. Meer informatie is hier te vinden, op de site van de TU Delft.