Apa perbedaan antara qubit dan keadaan kuantum?

Secara umum, qubit secara matematis direpresentasikan sebagai keadaan kuantum dari bentuk $\lvert \psi\rangle = \alpha \lvert 0\rangle + \beta \lvert 1\rangle$ , menggunakan dasar $\{ \lvert 0\rangle, \lvert 1\rangle \}$ . Tampak bagi saya bahwa qubit hanyalah sebuah istilah yang digunakan dalam komputasi kuantum dan informasi untuk menunjukkan keadaan kuantum (yaitu vektor) dari suatu sistem.

Apakah ada perbedaan mendasar antara qubit dan status kuantum? Apa yang lebih ke qubit daripada keadaan kuantum yang diwakilinya?

Ada beberapa hal untuk dibedakan di sini, yang sering digabungkan oleh para ahli karena kami menggunakan istilah-istilah ini dengan cepat dan informal untuk menyampaikan intuisi daripada dengan cara yang paling transparan bagi para pemula.

1. "Qubit" dapat merujuk ke sistem kecil, yang memiliki status mekanika kuantum.

   Keadaan sistem mekanika kuantum membentuk ruang vektor. Sebagian besar dari negara-negara ini hanya dapat dibedakan dari satu sama lain hanya dengan tidak sempurna, di mana ada kemungkinan salah mengartikan satu negara untuk yang lain, tidak peduli seberapa pintar Anda mencoba untuk membedakan mereka. Seseorang kemudian dapat mengajukan pertanyaan, tentang serangkaian keadaan, apakah mereka semua dapat dibedakan satu sama lain dengan sempurna.

   "Qubit" adalah contoh sistem mekanika kuantum, di mana jumlah terbesar dari keadaan yang dapat dibedakan sempurna adalah dua. (Ada banyak set berbeda dari negara yang dapat dibedakan sempurna; tetapi masing-masing set tersebut hanya mengandung dua elemen.) Ini mungkin

   • polarisasi foton ( vs | V ⟩ , atau | ↺ ⟩ vs | ↻ ⟩ );$\lvert \mathrm H \rangle$$\lvert \mathrm V \rangle$$\lvert \circlearrowleft \rangle$$\lvert \circlearrowright \rangle$

   • atau putaran elektron ( versus , atau versus );$\lvert \uparrow \rangle$$\lvert \downarrow \rangle$$\lvert \rightarrow \rangle$$\lvert \leftarrow \rangle$

   • atau dua tingkat energi dan sebuah elektron dalam sebuah ion, yang dapat menempati banyak tingkat energi yang berbeda tetapi sedang dikendalikan sedemikian rupa sehingga elektron tetap berada dalam subruang yang ditentukan oleh level energi ini ketika tidak ditindaklanjuti.$\lvert E_1 \rangle$$\lvert E_2 \rangle$
     
     

   Umum untuk sistem ini adalah bahwa seseorang dapat mendeskripsikan dalam dua kondisi, yang dapat kita label dan , dan pertimbangkan status sistem lainnya (yang merupakan vektor dalam ruang vektor) direntang oleh$\lvert 0 \rangle$$\lvert 1 \rangle$$\lvert 0 \rangle$ dan ) menggunakan kombinasi linear mengambil bentuk a | 0 ⟩ + ß | 1 ⟩ , di mana | α | 2 + | β | 2 = 1 .$\lvert 1 \rangle$$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$$\lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2 = 1$

2. "Qubit" juga dapat merujuk ke status mekanika kuantum dari sistem fisik seperti yang telah kami jelaskan di atas. Yaitu, kita dapat memanggil beberapa bentuk "qubit". Dalam hal ini kami tidak mempertimbangkan sistem fisik apa yang menyimpan keadaan itu; kami hanya tertarik pada bentuk negara.$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$

3. "A qubit" juga dapat merujuk ke sejumlah informasi yang setara dengan keadaan seperti . Misalnya, jika kita tahu dua status | ψ 0 ⟩ dan | ψ 1 ⟩ dari beberapa sistem kuantum rumit, dan kami memiliki beberapa sistem fisik yang negara | Ψ ⟩ dalam beberapa superposisi a | ψ 0 ⟩ + ß | ψ 1$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$$\lvert \psi_0 \rangle$$\lvert \psi_1 \rangle$$\lvert \Psi \rangle$$\alpha \lvert \psi_0 \rangle + \beta \lvert \psi_1 \rangle$, maka tidak masalah seberapa rumit sistemnya atau apakah salah satu dari status memiliki keterikatan apapun: jumlah informasi yang diungkapkan oleh nilai yang mungkin dari | Ψ ⟩ adalah salah satu qubit, karena dengan prosedur tak bersuara cukup pintar, Anda bisa reversibel encode yang rumit keadaan kuantum ke dalam negara dari (sistem fisik) qubit. Demikian pula, Anda dapat memiliki sistem kuantum yang sangat besar yang menyandikan n qubit informasi, jika Anda dapat secara terbalik menyandikan status sistem yang rumit itu sebagai keadaan n qubit.$\lvert \psi_j \rangle$$\lvert \Psi \rangle$$n$$n$

Ini mungkin tampak membingungkan, tetapi tidak berbeda dari apa yang kita lakukan sepanjang waktu dengan perhitungan klasik.

• Jika dalam bahasa seperti-C saya menulis int x = 5;Anda mungkin mengerti itu xadalah integer ( variabel integer yang), yang menyimpan integer 5( nilai integer ).

• Jika saya kemudian menulis x = 7;saya tidak bermaksud bahwa itu xadalah bilangan bulat yang sama dengan keduanya 5dan 7, tetapi itu xadalah semacam wadah dan bahwa apa yang kita lakukan adalah mengubah apa yang ada di dalamnya.

Dan seterusnya - cara-cara di mana kita menggunakan istilah 'qubit' sama dengan bagaimana kita menggunakan istilah 'bit', hanya saja kita menggunakan istilah untuk keadaan kuantum alih-alih untuk nilai, dan untuk fisik kecil sistem daripada variabel atau register. (Atau lebih tepatnya: keadaan kuantum adalah nilai dalam perhitungan kuantum, dan sistem fisik kecil adalah variabel / register.)