Os qubits são a base de toda tecnologia quântica. Se você entende qubits, entende uma boa parte do futuro.
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Os computadores quânticos usam qubits como sua unidade fundamental de informação.
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Os sensores quânticos usam qubits para sentir o mundo.
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As ressonâncias magnéticas (MRI) usam qubits atômicos dentro do seu corpo para gerar imagens excelentes!
Há muitas definições para qubit, mas a mais simples é esta: um qubit é uma coisa minúscula que aponta em uma direção.
Um qubit é uma coisa minúscula que aponta em uma direção.
Primeiro: o que significa apontar em uma direção?
Literalmente, uma direção no espaço 3D! Vamos ver um exemplo: o spin de um elétron.
Muita gente não se lembra da aula de química, mas os elétrons são pequenos ímãs! Damos um nome à direção do polo norte deles: spin.
O campo magnético de um elétron pode apontar para cima, para baixo ou em qualquer direção intermediária.
Um elétron é, portanto, um qubit: uma coisa minúscula que aponta em uma direção.
Fótons também podem ser qubits. Eles têm uma propriedade chamada polarização que pode ser pensada como apontar em uma direção, por meio de um mapeamento chamado esfera de Poincaré. Não vamos entrar em detalhes aqui.
Quão pequeno ele precisa ser?
Essa é a parte complicada. Um qubit precisa ser pequeno o bastante para poder ser isolado de qualquer outro objeto ou força que possa depender de ou influenciar seu estado. Só assim podemos ver o comportamento quântico, em particular o emaranhamento, surgir.
Um ímã de barra poderia ser um qubit, mas é bagunçado demais: o ar afeta, humanos tocam, é grande demais. Toda vez que algo interage com ele, ele se emaranha com o ímã. O emaranhamento é explicado aqui. Se nosso qubit se emaranhar com coisas demais sobre as quais não temos controle, deixamos de conseguir prever como ele vai agir. O super-emaranhamento de um objeto se chama decoerência. Odiamos quando as coisas decoerem, porque deixam de ser tão úteis e controladas. Ímãs de barra decoerem quase instantaneamente.
Para realmente isolar um qubit de tudo o mais, ele tem que estar em um bolso blindado de um material estável, como os centros NV em diamante, ou ser muito resfriado, como os qubits ressonadores que o Google e a IBM usam. Tecnicamente, qubits não precisam ser pequenos; o maior já criado foi um cristal de safira de 16 microgramas. Mas eles precisam resistir ao emaranhamento com fontes indesejadas por bastante tempo.
Encontramos muitos qubits que não decoerem tão rápido:
Como medimos um qubit?
É muito, muito difícil medir a direção do campo magnético de um elétron, de fato, teoricamente impossível. O máximo que dá para fazer é uma pergunta de sim/não: ele está apontando para cima ou para baixo? (Ou quaisquer duas direções opostas que você escolher.) Isso se chama medição.
Essa é, na verdade, uma propriedade fundamental dos qubits: quando você mede, só obtém um de dois resultados, normalmente chamados de “para cima” e “para baixo,” ou 0 e 1. Essa propriedade, de uma medição sempre retornar um dentre dois resultados, é o motivo de os qubits serem frequentemente chamados de sistemas quânticos de dois níveis.
No laboratório, conseguimos medir se o spin de um elétron está apontando para cima ou para baixo. A forma de fazer isso é: temos um laser especial no laboratório que dá para disparar contra o elétron.
O elétron que estamos medindo normalmente está preso a algum átomo que estamos levitando no espaço com uma rede óptica ou uma armadilha de íons.
Disparamos um laser especial nele que só é absorvido se o spin do elétron estiver para cima. Então, se ele absorver, sabemos que o spin está para cima!
Como os qubits nos ajudam?
A maior surpresa: os qubits já estão dentro de tecnologias que você usa hoje.
Ressonâncias magnéticas (MRI)
As MRIs usam os qubits de spin do próton de cada molécula de água do seu corpo. Spins dentro de um campo magnético giram. As MRIs colocam seu corpo dentro de um ímã enorme, então os spins giram muito rápido. Spins que giram emitem ondas de rádio, e é isso que a máquina de MRI mede.
Magnetômetros
Magnetômetros funcionam com a mesma ideia, ao contrário. Você deixa um spin girar e cronometra suas medições para que a resposta seja sempre “para cima” se o tempo estiver certo. Se uma medição retorna “para baixo,” o tempo se desviou, e você ajusta. Quanto você precisa ajustar te diz quão forte é o campo magnético do entorno.
Relógios atômicos
Relógios atômicos funcionam da mesma forma, com uma reviravolta. O campo magnético é fornecido pelo próprio núcleo do átomo, que é incrivelmente estável. Por isso, a rotação do spin do elétron é incrivelmente consistente. Mantenha um cronômetro rodando, meça no momento em que você espera “para cima,” e se em algum momento der “para baixo,” ajuste o cronômetro. Isso é um loop de correção ao vivo, e é assim que os relógios mais precisos do mundo continuam precisos.
Computação quântica
Os qubits também podem ser usados para computar mais rápido. A computação quântica substitui os bits clássicos, que são apenas 0 ou 1, por qubits. Guia detalhada em breve.
Segure um
Um qubit que você pode segurar nas mãos.
O Qubi é um qubit modelo. Gire-o, observe o colapso e construa, pelo tato, a intuição que esta guia acabou de mostrar.