Шта је то „квантни бит (кубит)“ (quantum bit, qubit)?

Класични бит је одређен само једним паром могућих вредности које се обично означавају, или нулом (0), или јединицом (1):

\[\text{Класични бит} = \{0,1\} \tag{1}\]

што су, геометријски, две тачке на реалној оси – црвене тачке на Слици 1.

Квантни бит узима све „вредности“ које се геометријски налазе на тродимензионалној сфери познатој под називом „Блохова сфера (Bloch sphere)“. Једна тачка на Блоховој сфери је једна могућа „вредност“ кубита – као што је плава тачка на Слици 2. За разлику од класичног бита који узима вредности из пребројивог скупа датог изразом (1), кубит узима „вредности“ са читаве Блохове сфере, што је непребројиво бесконачно мноштво. Дакле, квантни бит није „дигиталан“, већ „аналоган“, по аналогији са одговарајућим појмовима класичне електронике.

Избор једне тачке са Блохове сфере одговара избору једног физичког стања једног кубита. Аналогија са стањем класичног бита формално одговара препису: \begin{equation} \tag{2} 0 \rightarrow |0\rangle \end{equation} \begin{equation} \tag{3} 1 \rightarrow |1\rangle \end{equation}

са класичног на квантни бит, при чему се скуп {\(|0\rangle,|1\rangle\)} типично назива „базис израчунавања“. Свакој тачки на Блоховој сфери се сада може придружити пар комплексних бројева, \(c_0\) и \(c_1\), тако да је стање кубита одређено изразом („суперпозицијом“, попут интерференције у класичној оптици)

\[|\psi\rangle=c_0|0\rangle+c_1|1\rangle\tag{4}\]

при чему за збир квадрата модула комплексних бројева важи \(|c_0 |^2+|c_1 |^2=1\); отуда је полупречник Блохове сфере једнак \(1\). За суперпозицију квантних стања, израз (4), се каже да носи „квантну кохеренцију“.

Формално:

Баш као што се процесирање на битовима своди на баратање вредношћу битова (на пример, на прелаз нуле у јединицу и обрнуто), тако се процесирање кубитовима своди на прелаз са једне тачке Блохове сфере у другу. То се остварује, такозваним, унитарним квантномеханичким операцијама.

Физички, бит се у електронским склоповима остварује тако да важи

\[\text{„нема струје у колу“} \leftrightarrow 0\]

\[\text{„има струје у колу“} \leftrightarrow 1.\]

Физички, кубит се може остварити преко избора базиса израчунавања, на пример, као:

• Вредности неке пројекције спина квантне честице (електрона, протона, атомског језгра),
• Посебно одабраних стања неких атома,
• Поларизација квантне светлости (фотона),
• Смер струје у неким суперпроводним склоповима (какав је, на пример, SQUID – Superconducting Quantum Interference Device),
• Један од два просторна положаја електрона у чврстој структури (једна врста „квантних тачака“ - quantum dot),

и многим другим „квантним хардверима“.