Apa itu qubit?

Apa itu "qubit"? Google memberi tahu saya bahwa itu istilah lain untuk "sedikit kuantum". Apa itu "bit kuantum" secara fisik ? Bagaimana itu "kuantum"? Apa tujuannya dalam komputasi kuantum?

Catatan: Saya lebih suka penjelasan yang mudah dipahami oleh orang awam; istilah khusus untuk komputasi kuantum sebaiknya dijelaskan, dalam istilah yang relatif sederhana.

Ini adalah pertanyaan yang bagus dan dalam pandangan saya menjadi inti dari qubit. Seperti komentar oleh @Blue , ini bukan berarti superposisi yang sama karena ini sama dengan distribusi probabilitas klasik. Itu adalah bahwa ia dapat memiliki tanda-tanda negatif.

Ambil contoh ini. Bayangkan Anda memiliki sedikit kondisi dan menyatakannya sebagai vektor dan kemudian Anda menerapkan operasi membalik koin yang dapat diwakili oleh matriks stokastik ini akan membuat campuran klasik . Jika Anda menerapkan ini dua kali, itu masih akan menjadi campuran klasik .[ 1 0 ] [ 0,5 0,5 0,5 0,5 ] [ 0,5 0,5 ] [ 0,5 0,5$0$$\begin{bmatrix}1 \\0 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 & 0.5 \\0.5 & 0.5 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 \\0.5 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 \\0.5 \end{bmatrix}$

Sekarang mari kita pergi ke kasus kuantum dan mulai dengan qubit dalam keadaan yang lagi diwakili oleh [ 1 0 ] . Dalam kuantum, operasi diwakili oleh matriks kesatuan yang memiliki properti U † U = I . Kesatuan yang paling sederhana untuk mewakili aksi flip koin kuantum adalah matriks Hadamard [ $0$$\begin{bmatrix}1 \\0 \end{bmatrix}$$U^\dagger U = I$mana kolom pertama didefinisikan sehingga setelah satu operasi itu membuat negara| +⟩=[$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} & \sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} & -\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$, maka kolom kedua harus[$|+\rangle =\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$mana| a| 2=1/2,| b| 2=1/2danab*=-1/2. Solusi untuk ini adalaha=$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} & a \\\sqrt{0.5} & b \end{bmatrix}$$|a|^2 = 1/2$$|b|^2 = 1/2$$ab^* = -1/2$danb=-a.$a =\sqrt(0.5)$$b=-a$

Sekarang mari kita lakukan percobaan yang sama. Menerapkannya sekali memberi dan jika kita diukur (di dasar standar) kita akan mendapatkan setengah waktu 0 dan lainnya 1 (recall di kuantumaturan Bornadalah P(i)=|⟨i|ψ⟩|2dan mengapa kita perlu semua alun-alun akar). Jadi seperti di atas dan memiliki hasil yang acak.$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$$P(i) = |\langle i|\psi\rangle|^2$

Mari kita terapkan dua kali. Sekarang kita akan mendapatkan . Tanda negatif membatalkan kemungkinan mengamati hasil 1 dan fisikawan yang kita sebut ini sebagai gangguan. Bilangan negatif inilah yang kita dapatkan dalam keadaan kuantum yang tidak dapat dijelaskan oleh teori probabilitas di mana vektor harus tetap positif dan nyata.$\begin{bmatrix} 0.5+0.5 \\0.5-0.5\end{bmatrix}$

Memperluas ini ke n qubit memberi Anda teori yang memiliki eksponensial yang tidak dapat kami temukan dengan cara yang efisien untuk disimulasikan.

Ini bukan hanya pandangan saya. Saya telah melihatnya ditunjukkan dalam pembicaraan oleh Scott Aaronson dan saya pikir yang terbaik untuk mengatakan kuantum adalah seperti "teori probabilitas dengan Tanda Minus" (ini adalah kutipan oleh Scott).

Saya melampirkan slide yang ingin saya berikan untuk menjelaskan kuantum (jika bukan standar untuk memiliki slide dalam jawaban, saya senang menulis matematika untuk mengetahui konsep-konsepnya)

Saya mungkin akan memperluas ini lebih banyak (!) Dan menambahkan gambar dan tautan karena saya punya waktu, tapi inilah kesempatan pertama saya untuk ini.

Sebagian besar penjelasan bebas matematika

Koin khusus

Mari kita mulai dengan memikirkan bit-bit normal. Bayangkan bit normal ini adalah koin, yang bisa kita putar menjadi kepala atau ekor. Kami akan memanggil kepala yang setara dengan "1" dan ekor "0". Sekarang bayangkan bukan hanya membalik koin ini, kita dapat memutarnya - 45${}^\circ$$^\circ$$^\circ$

Tapi apa gunanya? Tidak ada yang namanya makan siang gratis, seperti kata pepatah. Ketika saya benar-benar melihat koin itu, untuk melihat keadaannya, koin itu menjadi kepala atau ekor, berdasarkan probabilitas - cara yang baik untuk melihatnya adalah jika lebih dekat ke kepala, lebih mungkin menjadi kepala ketika melihat, dan sebaliknya, meskipun ada kemungkinan koin dekat bisa menjadi ekor ketika dilihat.

Selanjutnya, setelah saya melihat koin khusus ini, informasi apa pun yang ada di dalamnya sebelumnya tidak dapat diakses lagi. Jika saya melihat koin Shakespeare saya, saya hanya mendapatkan kepala atau ekor, dan ketika saya memalingkan muka, itu masih apa pun yang saya lihat ketika saya melihatnya - itu tidak secara ajaib kembali menjadi koin Shakespeare. Saya harus mencatat di sini bahwa Anda mungkin berpikir, seperti yang ditunjukkan Blue dalam komentar, itu

Mengingat kemajuan besar dalam teknologi modern tidak ada yang menghentikan saya dari pemantauan orientasi yang tepat dari koin yang dilemparkan ke udara saat jatuh. Saya tidak perlu "melihat ke dalamnya" yaitu menghentikannya dan memeriksa apakah sudah jatuh sebagai "kepala" atau "ekor".

"Pemantauan" ini dihitung sebagai pengukuran. Tidak ada cara untuk melihat kondisi peralihan dari koin ini. Tidak ada, nada, nihil. Ini sedikit berbeda dari koin biasa, bukan?

Jadi, menyandikan semua karya Shakespeare di koin kami secara teori adalah mungkin, tetapi kami tidak pernah dapat benar-benar mengakses informasi itu, jadi tidak terlalu berguna.

Keingintahuan matematis kecil yang menyenangkan kami dapatkan di sini, tetapi bagaimana kami bisa melakukan sesuatu dengan ini?

Masalah dengan mekanika klasik

Baiklah, mari kita mundur sebentar ke sini dan beralih ke taktik lain. Jika saya melempar bola kepada Anda dan menangkapnya, pada dasarnya kami dapat memodelkan gerakan bola itu dengan tepat (dengan semua parameter). Kita bisa menganalisis lintasannya dengan hukum Newton, mencari tahu pergerakannya melalui udara menggunakan mekanika fluida ( kecuali ada turbulensi ), dan sebagainya.

Jadi mari kita buat kita melakukan percobaan kecil. Saya memiliki dinding dengan dua celah di dalamnya dan dinding lain di belakang dinding itu. Saya mengatur salah satu benda pelempar bola tenis di depan dan membiarkannya mulai melempar bola tenis. Sementara itu, aku berada di dinding belakang menandai di mana semua bola tenis kita berakhir. Ketika saya menandai ini, ada "benjolan" yang jelas dalam data tepat di belakang celah, seperti yang Anda harapkan.

Sekarang, saya mengalihkan pelontar bola tenis kami ke sesuatu yang menembakkan partikel yang sangat kecil. Mungkin saya punya laser dan kami mencari di mana foton mencari. Mungkin saya punya senjata elektron. Apa pun, kita sedang melihat di mana partikel sub-atom ini berakhir lagi. Kali ini, kami tidak mendapatkan dua punuk, kami mendapatkan pola interferensi.

Apakah itu terlihat akrab bagi Anda? Bayangkan Anda menjatuhkan dua kerikil di kolam tepat di sebelah satu sama lain. Terlihat akrab sekarang? Riak-riak di kolam saling mengganggu . Ada bintik-bintik di mana mereka membatalkan dan bintik-bintik di mana mereka membesar, membuat pola yang indah. Sekarang, kita melihat partikel penembakan pola interferensi . Partikel-partikel ini harus memiliki perilaku seperti gelombang. Jadi mungkin kita salah selama ini. (Ini disebut percobaan celah ganda .) Maaf, elektron adalah gelombang, bukan partikel.

Kecuali ... mereka juga partikel. Ketika Anda melihat sinar katoda (aliran elektron dalam tabung hampa udara), perilaku di sana jelas menunjukkan bahwa elektron adalah partikel. Mengutip wikipedia:

Seperti gelombang, sinar katoda bergerak dalam garis lurus, dan menghasilkan bayangan ketika terhalang oleh benda. Ernest Rutherford menunjukkan bahwa sinar dapat melewati foil logam tipis, perilaku yang diharapkan dari sebuah partikel. Sifat-sifat yang saling bertentangan ini menyebabkan gangguan ketika mencoba mengklasifikasikannya sebagai gelombang atau partikel [...] Perdebatan diselesaikan ketika medan listrik digunakan untuk membelokkan sinar oleh JJ Thomson. Ini adalah bukti bahwa balok terdiri dari partikel karena para ilmuwan tahu bahwa mustahil untuk membelokkan gelombang elektromagnetik dengan medan listrik.

Jadi ... mereka berdua . Atau lebih tepatnya, mereka sesuatu yang sangat berbeda. Itu salah satu dari beberapa teka-teki yang dilihat fisikawan pada awal abad kedua puluh. Jika Anda ingin melihat beberapa yang lain, lihat radiasi benda hitam atau efek fotolistrik .

Apa yang memperbaiki masalah - mekanika kuantum

Masalah-masalah ini membuat kita menyadari bahwa hukum yang memungkinkan kita menghitung gerakan bola yang kita bolak-balik tidak bekerja dalam skala yang sangat kecil. Jadi seperangkat hukum baru dikembangkan. Hukum-hukum ini disebut mekanika kuantum setelah salah satu ide utama di belakangnya - keberadaan paket energi fundamental, yang disebut kuanta.

Idenya adalah bahwa saya tidak bisa hanya memberi Anda 0,0000000000000000000000000000 ditambah banyak lagi nol 1 Joule energi - ada jumlah minimum energi yang mungkin saya dapat memberi Anda. Ini seperti, dalam sistem mata uang, saya bisa memberi Anda satu dolar atau satu sen, tetapi (dalam uang Amerika, saya tidak bisa memberi Anda "setengah sen"). Tidak ada Energi (dan nilai-nilai lain) dapat seperti itu dalam situasi tertentu. (Tidak semua situasi, dan ini bisa terjadi dalam mekanika klasik kadang-kadang - lihat juga ini ; terima kasih kepada Blue untuk menunjukkan ini.)

Jadi, bagaimanapun, kami mendapatkan perangkat hukum baru ini, mekanika kuantum. Dan pengembangan hukum-hukum itu lengkap, meskipun tidak sepenuhnya benar (lihat teori medan kuantum, gravitasi kuantum) tetapi sejarah perkembangannya agak menarik. Ada orang ini, Schrodinger, dari ketenaran kucing-membunuh ( mungkin? ), Yang datang dengan formulasi persamaan gelombang mekanika kuantum. Dan ini lebih disukai oleh banyak fisikawan lebih suka ini, karena itu agak mirip dengan cara klasik menghitung hal-hal - integral dan hamiltonians dan sebagainya.

Pria lain, Heisenberg, datang dengan cara lain yang sama sekali berbeda dalam menghitung keadaan partikel kuantum-mekanis, yang disebut mekanika matriks. Namun lelaki lain, Dirac, membuktikan bahwa formulasi matrik mekanis dan persamaan gelombang adalah sama.

Jadi sekarang, kita harus mengganti paku payung lagi - apakah matriks, dan vektor teman mereka?

Vektor dan matriks - atau, beberapa aljabar linier yang mudah-mudahan tidak menyakitkan

$^2$

Jadi kita memiliki vektor-vektor ini. Matematika macam apa yang bisa saya lakukan dengan mereka? Bagaimana saya bisa memanipulasi vektor? Saya dapat mengalikan vektor dengan angka normal, seperti 3 atau 2 (ini disebut skalar), untuk merentangkannya, mengecilkannya (jika pecahan), atau membaliknya (jika negatif). Saya dapat menambah atau mengurangi vektor dengan cukup mudah - jika saya memiliki vektor (2, 3) + (4, 2) yang sama dengan (6, 5). Ada juga hal-hal yang disebut produk titik dan produk silang yang tidak akan kita bahas di sini - jika tertarik pada hal ini, lihat seri aljabar linier 3blue1brown , yang sangat mudah diakses, sebenarnya mengajari Anda cara melakukannya , dan merupakan cara yang luar biasa untuk mempelajari hal ini.

$\hat{i}$$\hat{j}$$\sqrt{-1} = i$

Kemudian kita melihat di mana i-hat dan j-hat berakhir di sistem koordinat baru kami. Di kolom pertama dari matriks kami, kami menulis koordinat baru i-hat dan di kolom kedua koordinat baru j-hat. Kita sekarang dapat mengalikan matriks ini dengan vektor apa pun dan mendapatkan vektor itu dalam sistem koordinat baru. Alasan ini berhasil adalah karena Anda dapat menulis ulang vektor seperti apa yang disebut kombinasi linear. Ini berarti bahwa kita dapat menulis ulang katakan, (2, 3) sebagai 2 * (1, 0) + 3 * (0, 1) - yaitu, 2 * i-hat + 3 * j-hat. Ketika kita menggunakan sebuah matriks, kita secara efektif mengalikan kembali skalar tersebut dengan i-hat dan j-hat "baru". Sekali lagi, jika tertarik, lihat video 3blue1brown. Matriks ini banyak digunakan dalam banyak bidang, tetapi dari sinilah nama mekanika matriks berasal.

Mengikat semuanya bersama-sama

Sekarang matriks dapat mewakili rotasi dataran koordinat, atau meregangkan atau mengecilkan bidang koordinat atau banyak hal lainnya. Tetapi beberapa perilaku ini ... kedengarannya agak akrab, bukan? Koin spesial kami yang kecil terdengar seperti itu. Kami memiliki gagasan rotasi ini. Bagaimana jika kita mewakili keadaan horizontal dengan i-hat, dan vertikal dengan j-hat, dan menggambarkan apa rotasi koin kita menggunakan kombinasi linear? Itu bekerja, dan membuat sistem kami lebih mudah untuk digambarkan. Jadi koin kecil kami dapat dijelaskan menggunakan aljabar linier.

Apa lagi yang bisa dijelaskan aljabar linier dan memiliki probabilitas dan pengukuran aneh? Mekanika kuantum. (Khususnya, ide kombinasi linier ini menjadi ide yang disebut superposisi, yang merupakan asal seluruh gagasan, disederhanakan ke titik yang tidak benar, dari "dua negara pada saat yang sama" berasal.) Jadi, koin khusus ini dapat menjadi benda mekanis kuantum. Macam apa benda benda mekanis kuantum?

• foton
• superkonduktor
• status energi elektron dalam atom

Apa pun, dengan kata lain, yang memiliki perilaku energi diskrit (kuanta), tetapi juga dapat bertindak seperti gelombang - mereka dapat mengganggu satu sama lain dan sebagainya.

Jadi kita punya koin mekanika kuantum khusus ini. Kita harus memanggil mereka apa? Mereka menyimpan status informasi seperti bit ... tapi itu kuantum. Itu qubit. Dan sekarang apa yang kita lakukan? Kami memanipulasi informasi yang tersimpan di dalamnya dengan matriks (ahem, gates). Kami mengukur untuk mendapatkan hasil. Singkatnya, kami menghitung.

Sekarang, kita tahu bahwa kita tidak dapat menyandikan jumlah informasi yang tak terbatas dalam qubit dan masih mengaksesnya (lihat catatan pada "koin shakespeare" kami), jadi apa keuntungan dari qubit itu? Muncul dalam kenyataan bahwa bit-bit informasi tambahan dapat mempengaruhi semua qubit lain (itu adalah ide kombinasi superposisi / linier lagi), yang mempengaruhi probabilitas, yang kemudian mempengaruhi jawaban Anda - tetapi sangat sulit untuk digunakan, itulah sebabnya ada sangat sedikit algoritma kuantum.

Koin khusus versus koin normal - atau, apa yang membuat qubit berbeda?

Jadi ... kita punya qubit ini. Tapi Blue menunjukkan poin yang bagus.

$\frac{1}{\sqrt{2}}|0\rangle + \frac{1}{\sqrt{2}}|1\rangle$

Ada beberapa perbedaan - cara pengukuran bekerja (lihat paragraf keempat), seluruh gagasan superposisi ini - tetapi perbedaan yang menentukan (Mithrandir24601 menunjukkan hal ini dalam obrolan, dan saya setuju) adalah pelanggaran ketidaksetaraan Bell.

Mari kita lakukan taktik lain. Kembali ketika mekanika kuantum sedang dikembangkan, ada perdebatan besar. Itu dimulai antara Einstein dan Bohr. Ketika teori gelombang Schrodinger dikembangkan, jelaslah bahwa mekanika kuantum akan menjadi teori probabilistik. Bohr menerbitkan sebuah makalah tentang pandangan dunia probabilistik ini, yang disimpulkannya

Di sini seluruh masalah determinisme muncul. Dari sudut pandang mekanika kuantum kita, tidak ada kuantitas yang dalam setiap kasus secara kausal memperbaiki konsekuensi dari tabrakan; tetapi juga secara eksperimental sejauh ini kami tidak memiliki alasan untuk percaya bahwa ada beberapa sifat dalam dari atom yang mengkondisikan hasil yang pasti untuk tumbukan. Haruskah kita berharap nanti untuk menemukan properti seperti itu ... dan menentukannya dalam kasus individu? Atau haruskah kita percaya bahwa kesepakatan teori dan eksperimen — tentang ketidakmungkinan menentukan kondisi untuk evolusi sebab-akibat — apakah harmoni yang sudah ada sebelumnya didasarkan pada tidak adanya kondisi seperti itu? Saya sendiri cenderung menyerah determinisme di dunia atom. Tapi itu adalah pertanyaan filosofis yang argumen fisiknya sendiri tidak menentukan.

Gagasan determinisme telah ada untuk sementara waktu. Mungkin salah satu kutipan yang lebih terkenal tentang masalah ini adalah dari Laplace, yang mengatakan

Intelek yang pada saat tertentu akan mengetahui semua kekuatan yang menggerakkan alam, dan semua posisi semua benda yang dikomposisikan oleh alam, jika kecerdasan ini juga cukup luas untuk mengirimkan data ini untuk dianalisis, ia akan merangkul dalam satu formula tunggal pergerakan benda-benda terbesar di alam semesta dan gerakan atom terkecil; karena kecerdasan seperti itu tidak ada yang tidak pasti dan masa depan seperti masa lalu akan hadir di depan matanya.

Ide determinisme adalah bahwa jika Anda tahu semua yang perlu diketahui tentang keadaan saat ini, dan menerapkan hukum fisik yang kita miliki, Anda dapat mengetahui (secara efektif) masa depan. Namun, mekanika kuantum menghancurkan ide ini dengan probabilitas. "Saya sendiri cenderung menyerah determinisme di dunia atom." Ini masalah besar!

Tanggapan terkenal Albert Einstein:

Mekanika kuantum sangat layak dihargai. Tetapi suara hati mengatakan kepada saya bahwa ini belum jalur yang benar. Teori ini menghasilkan banyak, tetapi hampir tidak membawa kita lebih dekat ke rahasia Yang Lama. Bagaimanapun, saya yakin bahwa Dia tidak bermain dadu.

(Respons Bohr rupanya "Berhentilah memberi tahu Tuhan apa yang harus dilakukan", tapi bagaimanapun.)

Untuk sementara, ada perdebatan. Teori variabel tersembunyi muncul, di mana itu bukan hanya probabilitas - ada cara partikel "tahu" apa yang akan terjadi ketika diukur; itu tidak sepenuhnya kebetulan. Dan kemudian, ada ketidaksetaraan Bell. Mengutip Wikipedia,

Dalam bentuknya yang paling sederhana, teorema Bell menyatakan

Tidak ada teori fisik variabel tersembunyi lokal yang dapat mereproduksi semua prediksi mekanika kuantum.

Dan itu memberikan cara untuk memeriksa ini secara eksperimental. Itu benar - ini adalah probabilitas murni. Ini bukan perilaku klasik. Ini semua adalah peluang, peluang yang memengaruhi peluang lain melalui superposisi, dan kemudian "runtuh" ​​menjadi satu negara pada pengukuran (jika Anda mengikuti interpretasi Kopenhagen). Jadi untuk meringkas: pertama, pengukuran pada dasarnya berbeda dalam mekanika kuantum, dan kedua, bahwa mekanika kuantum tidak deterministik. Kedua poin ini berarti bahwa setiap sistem kuantum, termasuk qubit, akan berbeda secara fundamental dari sistem klasik mana pun.

Penafian kecil

Seperti yang ditunjukkan xkcd dengan bijak, analogi apa pun adalah perkiraan. Jawaban ini tidak formal sama sekali, dan ada banyak hal lebih untuk hal ini. Saya berharap dapat menambahkan jawaban ini dengan deskripsi yang sedikit lebih formal (meskipun masih belum sepenuhnya formal), tetapi harap ingat ini.

Sumber daya

• Nielsen dan Chuang, Quantum Computing dan Informasi Quantum. Alkitab komputasi kuantum.

• Aljabar linier dan kursus kalkulus 3blue1brown sangat bagus untuk matematika.

• Michael Nielsen (yeah, pria yang ikut menulis buku teks di atas) memiliki seri video berjudul Quantum Computing for the Determined. 10/10 akan merekomendasikan.

• quirk adalah simulator kecil yang hebat dari komputer kuantum yang dapat Anda mainkan.

• Saya menulis beberapa posting blog tentang hal ini beberapa waktu yang lalu (jika Anda tidak keberatan membaca tulisan saya, yang tidak terlalu baik) yang dapat ditemukan di sini yang mencoba untuk memulai dari dasar-dasar dan terus maju.

Apa itu "bit kuantum" secara fisik? Bagaimana itu "kuantum"?

Pertama izinkan saya memberi contoh bit klasik:

• Dalam CPU: tegangan rendah = 0, tegangan tinggi = 1
• Dalam hard drive: Magnet utara = 0, magnet Selatan = 1
• Dalam barcode pada kartu perpustakaan Anda: Bilah tipis = 0, bilah tebal = 1
• Dalam DVD: Tidak adanya lubang mikroskopis yang dalam pada disk = 0, Kehadiran = 1

Dalam setiap kasus, Anda dapat memiliki sesuatu di antaranya:

• Jika "tegangan rendah" adalah 0 mV, dan "tegangan tinggi" adalah 1 mV, Anda dapat memiliki tegangan sedang 0,5 mV
• Anda dapat memiliki magnet yang terpolarisasi ke segala arah, seperti Barat Laut
• Anda dapat memiliki garis dalam barcode yang lebar apa pun
• Anda dapat memiliki lubang dengan berbagai kedalaman pada permukaan DVD

Dalam mekanika kuantum, benda hanya bisa ada dalam "paket" yang disebut "kuanta". Bentuk tunggal "kuanta" adalah "kuantum" . Ini berarti untuk contoh barcode, jika garis tipis adalah satu "kuantum", garis tebal dapat dua kali ukuran garis tipis (dua kuanta), tetapi tidak boleh 1,5 kali ketebalan garis tipis. Jika Anda melihat kartu perpustakaan Anda, Anda akan melihat bahwa Anda dapat menggambar garis dengan ketebalan 1,5 kali ukuran garis tipis jika Anda mau, yang merupakan salah satu alasan mengapa bit barcode bukan qubit.

Memang ada beberapa hal di mana hukum mekanika kuantum tidak mengizinkan apa pun antara 0 dan 1, beberapa contoh di bawah ini:

• putaran elektron : Itu naik (0) atau turun (1), tetapi tidak bisa di antaranya.
• tingkat energi suatu elektron: tingkat 1 adalah 0, tingkat 2 adalah 1, tidak ada tingkat 1,5

Saya telah memberi Anda dua contoh tentang apa qubit dapat secara fisik: spin elektron, atau tingkat energi elektron.

Apa tujuannya dalam komputasi kuantum?

$n$$2^n$

01$|0\rangle$$|1\rangle$

$\alpha$$\beta$$|\psi_0 \rangle$

$Z$010$\alpha^2$1$\alpha^2$$\alpha^2+\beta^2=1$

$\alpha |0\rangle + \beta |1\rangle$

$|\psi_0\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|\psi_0\rangle$

$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$

$|0\rangle$$|1 \rangle$

$n$$2^n$$n$

Tetapi bagaimana cara kerjanya, saya harus merujuk Anda ke seluruh pertanyaan dan jawaban di Stack Exchange ini.

Qubit (bit kuantum) adalah sistem kuantum yang dapat sepenuhnya dijelaskan dengan ("hidup") ruang vektor kompleks 2-dimensi.

$|0\rangle$$|1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$

Untuk melakukan perhitungan, Anda juga harus dapat menginduksi serangkaian operasi "lengkap" yang bekerja pada satu atau dua qubit. Ketika Anda tidak melakukan operasi, qubit tidak boleh berinteraksi satu sama lain. Kecuali jika interaksi dengan lingkungan ditekan, qubit akan berinteraksi satu sama lain.

Sedikit klasik, omong-omong, jauh lebih sederhana daripada qubit. Ini adalah sistem yang dapat dijelaskan oleh variabel boolean

Semua yang kita amati dalam teknologi kuantum (foton, atom, dll) adalah bit (0 atau 1).

Pada intinya, tidak ada yang benar-benar tahu apa itu bit kuantum. Beberapa orang mengatakan itu adalah objek yang "keduanya" 0 dan 1; yang lain mengatakan ini tentang hal-hal yang harus dilakukan dengan alam semesta paralel; tetapi fisikawan tidak tahu apa itu, dan telah datang dengan interpretasi yang tidak terbukti.

Alasan "kebingungan" ini disebabkan oleh dua faktor:

(1) Seseorang dapat menyelesaikan tugas luar biasa yang tidak dapat dijelaskan dengan memikirkan teknologi kuantum dalam hal bit normal. Jadi harus ada beberapa elemen tambahan yang kita beri label "kuantum". Tapi inilah bagian penting: elemen "kuantum" tambahan ini tidak dapat dideteksi secara langsung; semua yang kita amati adalah bit normal ketika kita "melihat" sistem.

(2) Salah satu cara untuk "melihat" hal-hal "kuantum" ekstra ini adalah melalui matematika. Oleh karena itu deskripsi qubit yang valid adalah matematis, dan setiap terjemahannya merupakan interpretasi yang belum terbukti.

Singkatnya, tidak ada yang tahu apa itu bit kuantum. Kita tahu ada sesuatu yang lebih dari bit dalam teknologi kuantum, yang kita namakan bit "kuantum". Dan sejauh ini, satu-satunya deskripsi yang valid (belum memuaskan) adalah matematika.

Semoga itu bisa membantu.