Qual é a diferença entre um qubit e um estado quântico?

Em geral, um qubit é matematicamente representado como um estado quântico na forma , usando a base . Parece-me que um qubit é apenas um termo usado na computação quântica e na informação para denotar um estado quântico (isto é, um vetor) de um sistema.$\lvert \psi\rangle = \alpha \lvert 0\rangle + \beta \lvert 1\rangle$$\{ \lvert 0\rangle, \lvert 1\rangle \}$

Existe alguma diferença fundamental entre um qubit e um estado quântico? O que é mais para um qubit do que o estado quântico que ele representa?

Existem algumas coisas para distinguir aqui, que muitas vezes são confundidas por especialistas, porque estamos usando esses termos de maneira rápida e informal para transmitir intuições, e não da maneira que seria mais transparente para os iniciantes.

1. Um "qubit" pode se referir a um sistema pequeno, que possui um estado mecânico quântico.

   Os estados de um sistema mecânico quântico formam um espaço vetorial. A maioria desses estados só pode ser distinguida entre si de maneira imperfeita, na medida em que há uma chance de confundir um estado com o outro, não importa o quão inteligente você tente distingui-los. Pode-se então fazer a pergunta, de um conjunto de estados, se todos são perfeitamente distinguíveis um do outro.

   Um "qubit" é um exemplo de sistema mecânico quântico, para o qual o maior número de estados perfeitamente distinguíveis é dois. (Existem muitos conjuntos diferentes de estados perfeitamente distinguíveis; mas cada um desses conjuntos contém apenas dois elementos.) Estes podem ser

   • a polarização de um fóton ( versus ou versus );$\lvert \mathrm H \rangle$$\lvert \mathrm V \rangle$$\lvert \circlearrowleft \rangle$$\lvert \circlearrowright \rangle$

   • ou o giro de um elétron ( versus ou versus );$\lvert \uparrow \rangle$$\lvert \downarrow \rangle$$\lvert \rightarrow \rangle$$\lvert \leftarrow \rangle$

   • ou dois níveis de energia e de um elétron em um íon, que podem ocupar muitos níveis de energia diferentes, mas que estão sendo controlados de forma que o elétron permaneça no subespaço definido por esses níveis de energia quando não está sendo posta em prática.$\lvert E_1 \rangle$$\lvert E_2 \rangle$
     
     

   Comum a esses sistemas é que podemos descrever seus estados em termos de dois estados, que podemos chamar de e , e considerar os outros estados do sistema (que são vetores no espaço vetorial) estendido por e ) usando combinações lineares no formato , em que .$\lvert 0 \rangle$$\lvert 1 \rangle$$\lvert 0 \rangle$$\lvert 1 \rangle$$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$$\lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2 = 1$

2. Um "qubit" também pode se referir ao estado mecânico quântico de um sistema físico do tipo que descrevemos acima. Ou seja, podemos chamar algum estado da forma "um qubit". Nesse caso, não estamos considerando qual sistema físico está armazenando esse estado; estamos interessados ​​apenas na forma do estado.$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$

3. "Um qubit" também pode se referir a uma quantidade de informações equivalente a um estado como . Por exemplo, se conhecermos dois estados e de algum sistema quântico complicado, e tivermos algum sistema físico cujo estado esteja em alguma superposição , não importa o quão complicado seja o sistema ou se dos estados tem algum emaranhado: a quantidade de informação expressa pelos possíveis valores de$\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$$\lvert \psi_j \rangle$$\lvert \Psi \rangle$é um qubit, porque com um procedimento inteligente e silencioso, é possível codificar reversivelmente esse complicado estado quântico no estado de um qubit (sistema físico). Da mesma forma, você pode ter um sistema quântico muito grande que codifique qubits de informações, se puder codificar reversivelmente o estado desse sistema complicado como o estado de qubits.$n$$n$

Isso pode parecer confuso, mas não é diferente do que fazemos o tempo todo com a computação clássica.

• Se em uma linguagem do tipo C eu escrevo, int x = 5;você provavelmente entende que xé um número inteiro ( que é uma variável inteira ), que armazena um número inteiro 5(um valor inteiro ).

• Se eu escrever x = 7;, não quero dizer que xseja um número inteiro igual a ambos 5e 7, mas sim que xseja um recipiente de tipos e que o que estamos fazendo esteja mudando o que ele contém.

E assim por diante - essas maneiras pelas quais usamos o termo 'qubit' são exatamente as mesmas de como usamos o termo 'bit', mas acontece que usamos o termo para estados quânticos, em vez de valores, e para pequenos valores físicos. sistemas em vez de variáveis ​​ou registros. (Ou melhor: os estados quânticos são os valores na computação quântica e os pequenos sistemas físicos são as variáveis ​​/ registradores.)