(b) Når den potensielle energien er anharmonisk, vil energinivåene ikke ha lik avstand mellom seg. To nivåer som skiller seg ut (røde linjer) kan da effektivt sett benyttes som en kvantebit, så lenge den tilførte energien via ekstern stimulus ikke inneholder så mye energi at systemet kan bevege seg opp til de andre nivåene (blå linjer). Det er i praksis de to laveste energinivåene som egner seg best til bruk som en kvantebit, siden høyere eksiterte tilstander har lavere levetid og dermed gjør kvantebiten mer ustabil.
Kvantebit er et kvantemekanisk system som befinner seg i en kombinasjon av to mulige tilstander. På samme vis som en bit (0 eller 1) utgjør den grunnleggende informasjonsenheten i en vanlig datamaskin, danner en kvantebit grunnlaget for beregninger utført med en kvantedatamaskin.
qubit på engelsk
I klassisk fysikk befinner et fysisk system seg med sikkerhet i en gitt tilstand. Hvis det går en elektrisk strøm gjennom et materiale, kan strømmen for eksempel enten være lav eller høy. Et slikt system kan da beskrives med en såkalt bit som tar verdiene 0 eller 1. Tilstanden med lav strøm kan kalles 0 mens tilstanden med høy strøm kalles 1. På denne måten utgjør en bit en grunnleggende enhet for informasjon. Systemet befinner seg i enten tilstand 0 eller i tilstand 1.
I kvantefysikk kan et fysisk system befinne seg i en kombinasjon av tilstander. Dette kalles for en superposisjon av tilstander. Dette kan skrives symbolsk på denne måten:
\[ |\Psi\rangle = a|0\rangle + b|1\rangle \]
Her er |Ψ⟩ den kvantemekaniske bølgefunksjonen, som er et matematisk objekt som beskriver systemets tilstand, og |0⟩ og |1⟩ er de to tilstandene som systemet kan befinne seg i. Koeffisientene a og b er generelt komplekse tall som har fysisk betydning på den måten at |a|2 angir sannsynligheten for at systemet på et gitt tidspunkt befinner seg i tilstand |0⟩, mens |b|2 angir det samme for tilstand |1⟩.
En kvantebit er et system som befinner seg i en slik superposisjon av to mulige tilstander.
For at et system skal kunne brukes som en kvantebit i praksis, er det ikke nødt til å bestå av eksakt kun to mulige kvantetilstander. Et system der to av flere kvantetilstander skiller seg ut ved at de har en energi som skiller seg tilstrekkelig fra resten av tilstandene, kan også fungere som en kvantebit. En forutsetning for dette er at den ytre påvirkningen systemet utsettes for, ikke inneholder nok energi til å aktivere andre energitilstander enn akkurat de to som skiller seg ut.
I praksis er det de to laveste energitilstandene som må skille seg ut fra de øvrige tilstandene for at man skal kunne bruke dem som tilstandene i en kvantebit. Grunnen er at jo høyere energi en kvantetilstand har, jo kortere levetid har den før den reduserer sin energi ved å hoppe ned til et lavere energinivå (de-eksiteres). Man ønsker at tilstandene i en kvantebit skal ha så lang levetid som mulig, slik at informasjonen som er lagret i tilstanden forblir stabil. Dermed er det ikke gunstig å bruke to høyere eksiterte energitilstander som en kvantebit, selv om disse skulle skille seg fra de øvrige tilstandene.
Den vanligste implementasjonen av kvantebits har så langt vært å benytte seg av superledende kretser, blant annet fordi slike elektriske kretser er kompatible med eksisterende datateknologi. Nedenfor beskrives noe av de mest brukte typene av kvantebits i kvantedatamaskiner.
Superledende kvantebits er basert på elektriske kretser som opererer ved ekstremt lave temperaturer, nær det absolutte nullpunkt. Ved disse temperaturene har superledere ingen elektrisk motstand, og kvanteeffekter blir tydelige. Informasjonen lagres i ulike energitilstander i kretsen, som kan kontrolleres med mikrobølgesignaler. Disse kvantebitene er relativt enkle å produsere med eksisterende teknologi fra mikroelektronikk. Derfor dominerer denne typen kvantebits markedet for dagens kvantedatamaskiner. En viktig ulempe er at de er følsomme for støy fra omgivelsene.
Spinn-kvantebits er typisk basert på halvledere og bruker spinnet til enten elektroner eller atomkjerner som en måte å lagre informasjon på. Spinn kan forenklet forstås som en slags innebygget rotasjon til partikler og kan ha to mulige retninger. Dette utgjør grunnlaget for en kvantebit. Disse kvantebitene kan være svært små og potensielt skalerbare til mange kvantebits ved å benytte moderne halvledermaterialer. Spinn-kvantebits klarer å lagre kvanteinformasjonen i lengre tid enn superledende kvantebits, men er mer utfordrende å kontrollere enkeltvis.
Ionfelle-kvantebits består av enkeltatomer som er elektrisk ladet (ioner) og som dermed kan holdes på plass via elektromagnetiske felt. Kvanteinformasjonen lagres i de interne energitilstandene i ionet. Ved å bruke svært presise lasere kan tilstanden til disse ionene kontrolleres. Ionfelle-kvantebits er svært stabile og har høy nøyaktighet når de brukes til kvanteberegninger. Utfordringen er at de er teknisk komplekse å lage og vanskelige å skalere opp til store systemer. De brukes dermed primært til avansert eksperimentell forskning.
Fotoniske kvantebits bruker lyspartikler (fotoner) til å lagre og overføre kvanteinformasjon. Informasjonen ligger som regel i enten lysets polarisasjon eller fase. En stor fordel med denne typen kvantebits er at fotoner ikke lett påvirkes av termiske eller elektromagnetiske forstyrrelser, hvilket gir lav støy. Denne typen kvantebit kan også operere ved romtemperatur. Derfor er de godt egnet til kvantekommunikasjon over lange avstander. Man har eksperimentelt vist at sammenfiltring mellom fotoner kan bevares etter at de sendes gjennom ca 250 km optisk fiber. Utfordringen er at det er vanskelig å få fotoner til å vekselvirke med hverandre, hvilket gjør beregninger med fotoniske kvantebits krevende.
Kvantebits er et aktivt forskningsområde i moderne kvantefysikk. Mye av interessen rundt kvantebits kommer av relevansen for kvantedatamaskiner. Det er bevist at visse typer matematiske operasjoner kan utføres mye raskere ved å bruke kvantebits i stedet for klassiske bits.
Kvantebits kan fremvise et ikke-klassisk fenomen som kalles sammenfiltring. Når to kvantebits er sammenfiltrede, vil en måling av verdien til den ene kvantebiten umiddelbart påvirke hvilken verdi en måling av den andre kvantebiten vil få. Dette gjelder uansett hvor langt fra hverandre de to kvantebitene befinner seg, og er en egenskap som ikke kan forklares med klassisk fysikk.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.