Un qubit es un bit cuántico, la contraparte en la computación cuántica del dígito o bit binario de la computación clásica. Así como un bit es la unidad básica de información en una computadora clásica, un qubit es la unidad básica de información en una computadora cuántica.
En una computadora cuántica, se pueden usar varias partículas elementales, como electrones o fotones (en la práctica, también se ha logrado el éxito con los iones), con su carga o polarización actuando como una representación de 0 y / o 1. Cada uno de los estas partículas se conocen como qubit; la naturaleza y el comportamiento de estas partículas (como se expresa en la teoría cuántica) forman la base de la computación cuántica. Los dos aspectos más relevantes de la física cuántica son los principios de superposición y entrelazamiento.
Superposición
Piense en un qubit como un electrón en un campo magnético. El espín del electrón puede estar alineado con el campo, que se conoce como girar estado, u opuesto al campo, que se conoce como un centrifugar Expresar. El cambio de espín del electrón de un estado a otro se logra mediante el uso de un pulso de energía, como el de un láser; digamos que usamos 1 unidad de energía láser. Pero, ¿qué pasa si solo usamos la mitad de una unidad de energía láser y aislamos completamente la partícula de todas las influencias externas? De acuerdo con la ley cuántica, la partícula entra entonces en una superposición de estados, en la que se comporta como si estuviera en ambos estados simultáneamente. Cada qubit utilizado podría tener una superposición de 0 y 1. Por lo tanto, el número de cálculos que podría realizar una computadora cuántica es 2 ^ n, donde n es el número de qubits utilizados. Una computadora cuántica compuesta por 500 qubits tendría el potencial de hacer 2 ^ 500 cálculos en un solo paso. Este es un número asombroso: 2 ^ 500 es infinitamente más átomos de los que hay en el universo conocido (esto es un verdadero procesamiento paralelo: las computadoras clásicas de hoy, incluso los llamados procesadores paralelos, todavía solo hacen realmente una cosa a la vez: hay solo dos o más de ellos lo hacen). Pero, ¿cómo interactuarán estas partículas entre sí? Lo harían a través del entrelazamiento cuántico.
Enredo
Las partículas que han interactuado en algún momento retienen un tipo de conexión y pueden enredarse entre sí en pares, en un proceso conocido como correlación. Conocer el estado de giro de una partícula entrelazada, hacia arriba o hacia abajo, permite saber que el giro de su pareja está en la dirección opuesta. Aún más sorprendente es el conocimiento de que, debido al fenómeno de superposición, la partícula medida no tiene una sola dirección de giro antes de ser medida, sino que se encuentra simultáneamente en un estado de giro hacia arriba y hacia abajo. El estado de giro de la partícula que se mide se decide en el momento de la medición y se comunica a la partícula correlacionada, que asume simultáneamente la dirección de giro opuesta a la de la partícula medida. Este es un fenómeno real (Einstein lo llamó "acción espeluznante a distancia"), cuyo mecanismo no puede, hasta ahora, ser explicado por ninguna teoría, simplemente debe tomarse como dado. El entrelazamiento cuántico permite que los qubits que están separados por distancias increíbles interactúen entre sí instantáneamente (sin limitarse a la velocidad de la luz). No importa cuán grande sea la distancia entre las partículas correlacionadas, permanecerán enredadas mientras estén aisladas.
En conjunto, la superposición cuántica y el entrelazamiento crean una potencia informática enormemente mejorada. Donde un registro de 2 bits en una computadora ordinaria puede almacenar solo una de las cuatro configuraciones binarias (00, 01, 10 u 11) en un momento dado, un registro de 2 qubit en una computadora cuántica puede almacenar los cuatro números simultáneamente, porque cada qubit representa dos valores. Si se agregan más qubits, la capacidad aumentada se expande exponencialmente.