Qubit: O Bit do Lado Quântico da Força

O bit. Sem ele não haveria computadores, smartphones e internet facilitando a nossa vida e o pior… tudo seria um tédio. O dígito binário, ou bit para os íntimos, é a unidade básica da informação permitindo o processamento e armazenamento de dados na computação e comunicação digital, determinando dois possíveis estados para tal fim: 0 ou 1. Esses estados podem ser representados de diversas formas: verdadeiro ou falso, + ou -, ativado ou desativado, cara ou coroa, ying ou yang… ou seja, qualquer atributo que possa assumir apenas 2 valores distintos.

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Para a computação quântica poder ser eficiente, ela não pode usar a mesma forma de processamento e armazenamento de dados utilizado na computação clássica. Ela precisa de uma unidade de informação diferente. Então para o lado quântico da força funcionar, da física quântica surgiu o qubit, quantum bit ou bit quântico, como desejarem chamar.

qubit2

Esfera de Bloch representando um qubit

Indo para representação matemática da coisa (é… não há como escapar dela… a tão temida álgebra linear…) O qubit está associado a um estado bi-dimensional cuja base ortonormal é formada pelos vetores:

matriz_qbit

Assim, o espaço de estado associado ao qubit pode ser definido como: |ψ> = α|0> + β|1>. Onde, ψ é um vetor unitário de uma combinação linear de α e β que, por sua vez, são números complexos normalizados (|α|² + |β|² = 1). Esses coeficientes definem e possibilitam o cálculo da amplitude de probabilidades do espaço de estado do qubit permitindo duas respostas possíveis em suas medições. Melhor dizendo, podemos medir a probabilidade dele ser 0 (P(0) = |α|²) ou 1 (P(1) = |β|²) . Assim, enquanto o bit clássico pode apenas ficar no estado 1 ou no estado 0. O qubit pode assumir os estados extremais 1 e 0 na base ortogonal e ambos ao mesmo tempo graças a variação de sua amplitude.

qubit

O queeeeê? Ao mesmo tempo? Como assim? Alguém não disse que dois corpos não ocupam o mesmo lugar no espaço? É o fenômeno da superposição que possibilita esse terceiro estado. Isso permite que o qubit assuma uma capacidade de armazenamento maior que os bits e amplia a capacidade de cálculos paralelos. Ou seja, enquanto na computação clássica o armazenamento do bit é diretamente proporcional à sua soma, na computação quântica ela cresce exponencialmente. Exemplificando a comparação para os leigos que nem eu:

1 qubit   = 2 bits
2 qubits = 4 bits
3 qubits = 8 bits
.
.
.
n qubits = 2N bits

Agora fica uma dúvida no ar: Como a amplitude de um qubit é alterada? Trataremos disso num próximo post (se a álgebra linear deixar…).

Até a próxima!

Fontes:
– A revolução dos q-bits – Ivan S. Oliveira e Cássio Leite Vieira
– O que é computação quântica – Ernesto F. Galvão
– O Bit Quântico – Parte I: Fundamentos Matemáticos
– O Que é Qubit – O Bit Quântico
– Representação de um Bit Quântico na Esfera de Bloch

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