量子ビットはすべての量子技術の基礎です。量子ビットを理解すれば、未来の大きな部分を理解しています。
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量子コンピュータ は量子ビットを情報の基本単位として使います。
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量子センサー は世界を感知するために量子ビットを使います。
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MRI はあなたの体内の原子量子ビットを使って素晴らしい画像を取得します!
量子ビットの定義は多くありますが、最も単純なものはこれです:量子ビットは方向を指す小さなものです。
量子ビットは方向を指す小さなものです。
まず、方向を指すとはどういう意味か?
文字通り、3D空間の方向のことです!例を見てみましょう:電子のスピン。
化学のクラスから多くの人は覚えていませんが、電子は小さな磁石です!北極の方向に名前があります:スピン。
電子の磁場は上、下、またはその間の任意の方向を指せます。
したがって電子は量子ビットです:方向を指す小さなもの。
フォトンも量子ビットになれます。偏光と呼ばれる性質を持ち、ポアンカレ球と呼ばれるマッピングを介して方向を指すと考えることができます。ここでは深掘りしません。
どれだけ小さい必要があるか?
ここがトリッキーな部分です。量子ビットは、その状態に依存するまたは影響する可能性のある他のすべての物体や力から隔離できるほど小さくなければなりません。そうして初めて量子的振る舞い、特に量子もつれが現れるのを見ることができます。
棒磁石も量子ビットになれますが、乱雑すぎます。空気が衝突し、人間が触れます。ただ大きすぎます。何かと相互作用するたびに、磁石ともつれます。量子もつれはここで説明します。量子ビットが私たちが制御できない多くのものともつれると、どう動くかをもう予測できません。物体の過剰もつれはデコヒーレンスと呼ばれます。物事がデコヒーレンスを起こすのは、もう役立たず制御もできないので嫌いです。棒磁石はほぼ瞬時にデコヒーレンスします。
量子ビットを他のすべてから本当に隔離するには、ダイヤモンドのNV中心のような安定材料のシールドポケット内にあるか、GoogleやIBMが使う共振器量子ビットのように著しく冷却される必要があります。技術的には、量子ビットは小さくある必要はありません。これまでに作られた最大のものは16マイクログラムのサファイア結晶です。しかし、意図しない発生源との量子もつれに長時間耐える必要があります。
デコヒーレンスがそれほど速くない量子ビットを多く見つけてきました:
量子ビットをどう測定するか?
電子の磁場の方向を測定するのは非常に、非常に難しい、実際理論的に不可能です。できる最大のことは、はい/いいえの質問をすることです:上か下か?(または選ぶ任意の2つの反対方向。)これを測定と呼びます。
これは実際、量子ビットの基本的性質です:測定すると、2つの結果のうち1つしか得られません。通常「上」「下」、または0と1と呼ばれます。その性質、測定が常に2つの結果のうち1つを返すことが、量子ビットがよく2準位量子系と呼ばれる理由です。
研究室では電子のスピンが上か下かを測定できます。その方法は、研究室にある特殊なレーザーを電子に発射することです。
電子のスピンが上のときだけ吸収される特殊レーザーを発射します。だから吸収されれば、スピンアップだとわかります!
量子ビットはどう役立つか?
最大の驚き:量子ビットはすでに今日使っている技術の中にあります。
MRI
MRIは体のすべての水分子の陽子スピン量子ビットを使います。磁場内のスピンは回転します。MRIは体を巨大な磁石の中に置き、スピンが非常に速く回転します。回転するスピンは電波を放出し、それがMRI装置が測定するものです。
磁力計
磁力計は同じアイデアで逆に動きます。スピンを回転させ、タイミングが正しければ答えが常に「上」になるように測定のタイミングを取ります。測定が「下」を返した場合、タイミングがドリフトしているので調整します。調整しなければならない量から周囲の磁場の強さがわかります。
原子時計
原子時計は同じ方法で動きますが、ひねりがあります。磁場は原子自身の核から供給され、これは信じられないほど安定しています。だから電子スピンの回転は信じられないほど一貫しています。タイマーを動かし続け、「上」を期待する瞬間に測定し、代わりに「下」が出たらタイマーを調整します。これがライブ補正ループで、世界で最も正確な時計が正確であり続ける仕組みです。
量子コンピューティング
量子ビットはより速く計算するためにも使えます。量子コンピューティングは、単に0または1の古典ビットを、量子ビットに置き換えます。詳細ガイド近日公開。
