Qubit – základní jednotka kvantových počítačů – je fascinující fenomén, který popírá běžnou intuici. Může být současně v několika stavech, propojený s jinými qubity na dálku a využívat kvantové vlnění pro rychlejší výpočty. Prozkoumejte s námi podivuhodný svět kvantové informatiky.
Slovo qubit označuje „kvantový bit“. V klasické teorii informace označuje bit jednotku informace, která nám dovoluje rozhodnout se mezi dvěma možnostmi – a které obvykle označujeme jako „0“ a „1“. Vypnuto, zapnuto, světlo, tma – to vypadá jasně a intuitivně.
Qubit označuje kvantový stav částice, která je v superpozici, tedy může označovat „0“, „1“ nebo jakoukoliv pravděpodobnostní kombinaci těchto stavů. Není to úplně jednoduchá kombinace, jde o kombinaci amplitud těchto stavů, což jsou komplexní čísla – a onu pravděpodobnost představuje jejich absolutní hodnota umocněná na druhou. Jde tedy o element schopný vyjadřovat pravděpodobnost obou stavů s tím, že s onou pravděpodobností dokážeme pracovat. Tato zvláštní vlastnost je dána tím, že na kvantové úrovni se i běžné částice chovají jako vlny a jejich chování se popisuje tak zvanou vlnovou funkcí.
Další zvláštní vlastností qubitů je možnost, že mohou být provázané (entanglement) s jinými qubity, což znamená, že se navzájem ovlivňují a chovají se jako jeden celek. Provázání částic je věc, která přišla divná i Albertu Einsteinovi, který ji považoval za „strašidelnou“: Přestože jsou jednotlivé částice navzájem oddělené, chovají se tak, jako by byly navzájem svázané.
Protože se qubity chovají jako vlny, mohou se jejich složky v superpozici navzájem ovlivňovat pomocí kvantové interference, což je vzájemné zesilování nebo rušení se podobně jako u vln v klasické fyzice. Tím se mění amplitudy složek, což dovoluje ovlivňovat pravděpodobnosti stavů v jednotlivých qubitech, které se sčítají nebo odečítají, ale stále zůstávají neurčité až do okamžiku, kdy se je pokusíme změřit. Právě kvantová interference je jevem, který dokáže zvýrazňovat správná řešení a potlačovat špatná řešení – a proto se vhodně využívá v algoritmech pro kvantové počítače.
Teprve v okamžiku měření stavu qubitů dojde k jevu nazývanému kolaps vlnové funkce a my čteme jednoznačný výsledek ve formě jedniček a nul, který se může výpočet od výpočtu lišit, ale rozdělení statistiky měřených dat odpovídá pravděpodobnosti správného výsledku. Qubit si může vybrat kterýkoliv stav, který mu jeho vlnová funkce dovoluje, ale pravděpodobnost, že si ho vybere, odpovídá tomu, v jaké superpozici jsou jeho bázové vlny, tedy pravděpodobnosti dané stavem jeho vlnové funkce.
Dalo by se říci, že qubity do jisté míry výsledky výpočtů hádají, ale samotný výpočet provádějí efektivněji proto, že jde o složitější struktury: V superpozici reprezentují možné mezistavy, působí na sebe navzájem kvantovou interferencí a navíc se mohou navzájem ovlivňovat pomocí kvantového provázání. Při tvorbě kvantových algoritmů jde o to úlohu vhodně rozložit, „vetkat“ ji do qubitů a nechat kvantovou mechaniku, ať velmi rychle provede výpočet, který se následně měří a vyhodnocuje se, jestli je řešení správné nebo bylo ovlivněné nějakou chybou.
K chybám dochází často, je to základní vlastnost kvantových počítačů, se kterou se musí jejich konstruktéři naučit pracovat – a eliminovat ji například právě statisticky, kdy se ten samý problém „vetká“ do celé řady qubitů a hodnotí se, jaké výsledky výpočet vrátil a které z nich představují správnou odpověď a které naopak představují chybu.
U klasických počítačů mohou být kvantové jevy také zdrojem chyb při výpočtech – a proto se používají velké struktury, které přes přítomnost kvantových jevů potlačují jejich dopad na výsledky. U kvantových počítačů je to podobné, ale tam se naopak snažíme udržet kvantové jevy v činnosti co nejdéle, abychom mohli využít jejich sílu pro řešení obtížných úloh. Právě proto se musí konstruktéři počítače popasovat se všudypřítomnými chybami, protože kvantové jevy jsou velice jemné a navíc jsou ze své povahy pravděpodobnostní, což se bude propisovat i do měřených výsledků.
