Qubit

De toestandsruimte van een qubit: een Blochbol.

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.

Beschrijving

Er wordt getwijfeld aan de juistheid van het volgende gedeelte.
Raadpleeg de bijbehorende overlegpagina en pas na controle desgewenst het artikel aan.
Opgegeven reden: Dit gedeelte bevat onjuistheden en heeft geen bronvermelding. De beschrijving van het verschil tussen een kwantumbit en een klassiek bit is slordig en de beschrijving van verstrengeling is onjuist. (sjabloon geplaatst op 19 november 2014)

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 waarschijnlijkheidsamplitudes zijn. Voor α en β geldt de randvoorwaarde

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

De kans dat de qubit gemeten wordt in de toestand $|0\rangle$ is $|\alpha |^{2}$ en de kans dat hij gemeten wordt in de toestand $|1\rangle$ is $|\beta |^{2}$.

De totale kans van het geobserveerde systeem in elke toestand $|0\rangle$ of $|1\rangle$ is dus 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 en 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.

Ontwikkelingen

Op 17 augustus 2006 zijn onderzoekers van de Technische Universiteit (TU) 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 kwantumcomputer zijn gezet.

Een jaar later, op 14 juni 2007, is het onderzoekers van de TU Delft gelukt bewerkingen uit te voeren met twee qubits. De onderzoekers voerden een zogenoemde controlled-notbewerking uit met behulp van supergeleidende ringetjes. Met deze bewerking kan elke kwantumberekening worden gerealiseerd.

In september 2010 hebben onderzoekers van de TU Delft een manier gevonden om de spintoestand van een enkel elektron af te schermen van omgevingsinvloeden. De vinding is belangrijk voor de ontwikkeling van een kwantumcomputer. Het onderzoek vond plaats aan het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft. In mei 2014 werd bekendgemaakt dat het Ronald Hanson was gelukt om als eerste een qubit, middels kwantumverstrengeling, te teleporteren over een afstand van drie meter. De volgende stap is om een qubit te teleporteren over 1300 meter, tussen twee gebouwen van de TU in Delft.

Externe links

• An update on qubits in the Jan 2005 nummer van Scientific American
• An update on qubits in the Oct 2005 nummer van Scientific American
• De organisatie mede-opgericht door een van de pioniers op het gebied van kwantumcomputing, David Deutsch

Bronnen, noten en/of referenties

· ·

Eenheden van informatie (veelvouden van bytes)

Andere eenheden of benamingen: bit · nibble/tetrade · byte/octet · phit · qubit · qutrit · trit