Qubit-i su osnovni gradivni blokovi kvantnih računara — i, kada su ugrađeni u ove mašine, oslanjaju se na čudne zakone kvantne mehanike kako bi obrađivali proračune paralelno.

Kvantni bit, poznat i kao qubit, je osnovna jedinica podataka u kvantnom računanju. Kao i klasični bit u klasičnim računarima, qubit može da čuva informacije, ali se ponaša veoma drugačije zahvaljujući kvantnoj mehanici.

Kvantni računari obično koriste subatomske čestice, kao što su fotoni (paketi svetlosti) ili elektroni, kao qubit-e. U qubit-ima, svojstva kao što su naboj, fotonska polarizacija ili spin predstavljaju 1 i 0 u binarnom računanju. Međutim, qubit-i su takođe podložni fenomenima poznatim kao superpozicija i uplitanje, zbog svoje kvantne prirode, što je mesto gde stvari postaju zanimljive.

Bitovi naspram qubit-a: Koja je razlika?

Pored toga što mogu biti 0 ili 1, kao bitovi, qubit-i mogu zauzimati oba stanja u isto vreme — ili superpoziciju 1 i 0. Qubit će ostati u superpoziciji sve dok ne bude direktno posmatran ili ometan spoljnim faktorima, kao što je toplota. Budući da je ovo kvantno stanje veoma delikatno, qubit-i moraju biti zaštićeni od ometanja, što zahteva veoma niske temperature.

Superpozicija omogućava qubit-ima kvantnog računara da budu u više stanja (0, 1 ili oba), a broj mogućih stanja raste eksponencijalno što je više qubit-a. Na primer, ako imate dva klasična bita, oni mogu uzeti vrednosti 0,0; 0,1; 1,0; ili 1,1 u bilo kojem trenutku.

Sa dva qubit-a, možete kodirati podatke u svih četiri stanja istovremeno. Kao takvi, kvantni računari potencijalno imaju daleko veću procesorsku moć od konvencionalnih računara koji koriste binarne bitove. Što više qubit-a imate, više proračuna možete obraditi paralelno — a ovo raste eksponencijalno ako dodate više u sistem. Međutim, da biste videli eksponencijalni rast u procesorskoj moći, takođe morate upletati qubit-e.

Kako funkcioniše upletanje?

U kvantnom upletanju, stanja subatomskih čestica su povezana, bez obzira na to koliko daleko mogu biti. Dobijanje informacija o jednom qubit-u automatski će obezbediti informacije o njegovoj upletenoj čestici.

Upletene čestice su uvek u korelisanom stanju. Kao rezultat, ako se izmeri svojstvo (kao što je spin) jedne čestice, čime se ona izdvaja iz superpozicije, isto će se instantno dogoditi i sa upletenom česticom. Budući da su stanja dve upletene čestice uvek korelisana, poznavanje stanja jedne upletene čestice znači da se stanje druge može izvesti.

Umesto direktnog merenja qubit-a, čime bi se izazvao gubitak njegovog stanja superpozicije, naučnici istražuju da li postoji način da se indirektno izvede informacija o qubit-u iz njegovih interakcija s okolinom.

Kvantno upletanje qubit-a takođe omogućava njima da međusobno interaguju simultano, bez obzira na udaljenost između njih. Kada se kombinuje sa superpozicijom, kvantno upletanje teoretski omogućava qubit-ima da znatno poboljšaju računarsku moć kvantnih računara, omogućavajući im da izvrše složene proračune koje bi klasični binarni računari teško rešavali.

To je trenutno moguće u malom obimu, ali izazov je proširiti tu primenu. Na primer, neki proračuni, poput razbijanja enkripcionih algoritama, trajali bi klasičnim računarima milionima godina da se izvrše. Međutim, ako bismo mogli izgraditi kvantni računar sa milionima qubit-a, ti isti algoritmi mogli bi biti razbijeni za nekoliko sekundi.

Zašto su qubit-i tako krhki i skloni dekoheraciji?

Zašto jednostavno nismo složili sve više i više qubit-a da bismo izgradili takav uređaj? Nažalost, qubit-i imaju kratak životni vek, a superpozicija može da se sruši uz najslabije spoljašnje uticaje, poput toplote ili pokreta. Zbog toga se smatraju „buke“ i skloni greškama.

Zbog toga se mnogi qubit-i moraju hladiti gotovo do apsolutne nule i održavati pomoću specijalizovane opreme. Takođe imaju izuzetno kratke „koherentne vremenske periode“ — što je mera koliko dugo zadržavaju željeno stanje potrebno za obradu kvantnih proračuna. Koherentna vremena obično traju samo delove sekunde. (Svetski rekord je 10 minuta za jedan qubit — ali stručnjaci smatraju da je malo verovatno da će se to preneti na pravi kvantni računar.) Ovaj faktor takođe čini qubit-e neprikladnim za dugotrajno skladištenje podataka.

Iako danas postoji mnogo kvantnih računara, još uvek moramo primeniti tehnike „ispravke grešaka“ na qubit-e kako bismo verovali njihovim rezultatima. Jedna od glavnih metoda ispravke grešaka koja se danas istražuje je izgradnja „logičkog qubit-a“. Logički qubit je zapravo grupa upletenih, grešaka skloni qubit-a koji skladište iste informacije na različitim mestima. Ovo širi moguće tačke kvara dok se proračun odvija, čime se ispravljaju greške. Ako se qubit-i dovoljno stabilizuju, uz prisustvo superpozicije i kvantnog upletanja qubit-a, kvantni računari će jednog dana moći da izvrše proračune u delovima vremena koje bi klasični računar zahtevao, kao i da reše složene jednačine koje su nemoguće čak i za današnje najmoćnije superračunare.