Nederlands
Menu

Wat is Qubit (kwantumbit)?

De eenheid die informatie voorstelt in een kwantumcomputer. Een qubit kan zich in een superpositie α|0⟩ + β|1⟩ van |0⟩ en |1⟩ bevinden, en een meting geeft 0 met kans |α|² en 1 met kans |β|². Qubits worden gerealiseerd met supergeleidende schakelingen, ionen, neutrale atomen, elektronspins in silicium, fotonen en meer.

Japanse benaming: 量子ビット

“Qubit (kwantumbit)” komt voor in 33 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Hardware voor kwantumcomputers.

Vakgebied: Hardware voor kwantumcomputers

De toestand beschrijven en meten

De toestand van één qubit kan worden geschreven als α|0⟩ + β|1⟩, waarbij α en β complexe getallen zijn (waarschijnlijkheidsamplitudes) die voldoen aan |α|² + |β|² = 1. Een meting geeft 0 met kans |α|² en 1 met kans |β|², en de toestand verandert in die van het gemeten resultaat. Eén meting onthult de kansen zelf niet, dus dezelfde schakeling wordt vele keren herhaald (elke herhaling heet een shot) en de kansen worden geschat uit het aandeel van elk resultaat. Bij een kans van 0,5 blijft er zelfs na 10.000 herhalingen een standaardafwijking van ongeveer 0,5% in de schatting over. De toestand kan worden weergegeven als een punt op de blochbol, en bewerkingen met kwantumpoorten komen overeen met rotaties van die bol.

n qubits en 2ⁿ amplitudes

De toestand van n qubits heeft 2ⁿ waarschijnlijkheidsamplitudes, ongeveer 10¹⁵ voor 50 qubits. Die opslaan als complexe getallen in dubbele precisie op een klassieke computer kost ongeveer 18 PB, en elke extra qubit verdubbelt dat. Een meting levert echter maar n bits op, en de amplitudes kunnen niet allemaal worden uitgelezen. Kwantumalgoritmen zijn zo ontworpen dat interferentie de amplitude van het juiste antwoord vergroot en die van foute antwoorden laat uitdoven.

Fysieke realisaties

Supergeleidende schakelingen (transmons) gebruiken twee energieniveaus die ongeveer 5 GHz uit elkaar liggen als qubit en werken na afkoeling tot ongeveer 10 mK. Ionenvallen en neutrale atomen gebruiken energieniveaus van atomen, spinqubits in silicium de spinrichting van elektronen die in kwantumdots zijn opgesloten, en fotonische benaderingen eigenschappen van fotonen zoals polarisatie of pad. Bij elk platform worden de prestaties niet alleen bepaald door het aantal qubits, maar ook door de foutkansen van de poorten, de coherentietijden en de manier waarop de qubits verbonden zijn. Bij foutcorrectie worden veel fysieke qubits samengevoegd tot één logische qubit.

Nu oefenen: vragen over Qubit (kwantumbit)

Welke uitspraak over een qubit is juist?

  1. AHet is een analoog geheugenelement dat een spanning tussen 0 en 1 vasthoudt, en bij uitlezen komt die tussenwaarde eruit
  2. BHet kan zich in een superpositie van |0⟩ en |1⟩ bevinden, en een meting geeft willekeurig 0 of 1
  3. COmdat het 0 en 1 tegelijk vasthoudt, leest één meting beide waarden, 0 en 1, uit
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het kan zich in een superpositie van |0⟩ en |1⟩ bevinden, en een meting geeft willekeurig 0 of 1

De toestand van een qubit kan worden geschreven als α|0⟩ + β|1⟩, waarbij α en β complexe getallen zijn (waarschijnlijkheidsamplitudes) die voldoen aan |α|² + |β|² = 1. Een meting geeft 0 met kans |α|² en 1 met kans |β|², en de toestand verandert in die van het gemeten resultaat. Een superpositie is geen waarde halverwege 0 en 1: een meting geeft altijd 0 of 1. Eén meting levert maar één bit informatie op, en de waarden van α en β zelf kunnen niet rechtstreeks worden uitgelezen.

Veelgestelde vragen

Hoeveel bits informatie kunnen uit n qubits worden gehaald?

Met een meting kan hoogstens n bits klassieke informatie worden verkregen. Ook al bevatten de qubits 2ⁿ amplitudes, ze kunnen niet allemaal worden uitgelezen. De snelheid van een kwantumcomputer komt niet voort uit het uitlezen van meer informatie, maar uit het gebruik van interferentie om het aantal stappen tot het antwoord te verkleinen.

Wat is het verschil tussen een fysieke en een logische qubit?

Een fysieke qubit is een afzonderlijke qubit die werkelijk in een apparaat is ingebouwd. Een logische qubit is één qubit die beter bestand is tegen fouten, gemaakt door veel fysieke qubits met kwantumfoutcorrectie samen te voegen. Met de surface code kan één logische qubit enkele honderden of meer fysieke qubits vragen.

“Qubit (kwantumbit)” in de toelichting

Vragen met “Qubit (kwantumbit)” (33)

  1. Welke uitspraak over een qubit is juist?
  2. Een qubit bevindt zich in de toestand (√3/2)|0⟩ + (1/2)|1⟩. Wat is de kans om bij een meting 1 te krijgen?
  3. Welke toestand stelt een punt op de evenaar voor als de toestand van één qubit op de blochbol wordt weergegeven?
  4. Hoeveel waarschijnlijkheidsamplitudes (complexe getallen) zijn nodig om een algemene toestand van een systeem van 10 qubits te beschrijven?
  5. De toestandsvector (alle waarschijnlijkheidsamplitudes) van 50 qubits wordt in het geheugen van een klassieke computer opgeslagen als complexe getallen in dubbele precisie van elk 16 bytes. Welke waarde ligt het dichtst bij het benodigde geheugen?
  6. Twee qubits bevinden zich in de verstrengelde toestand (|00⟩ + |11⟩)/√2. Welke uitspraak is juist?
  7. Welke beschrijving van de werking van een X-poort op één qubit is juist?
  8. Op een qubit in de toestand |0⟩ wordt één keer een hadamardpoort (H) toegepast, waarna de qubit wordt gemeten. Wat is de kans om 1 te krijgen?
  9. Uitgaande van de twee-qubittoestand |00⟩ (het linkercijfer is de eerste qubit) wordt een H-poort op de eerste qubit toegepast, gevolgd door een CNOT-poort met de eerste qubit als controlebit en de tweede als doelbit. Wat is de resulterende toestand?
  10. De poorten H, Z en H worden in die volgorde toegepast op een qubit in |0⟩, waarna de qubit wordt gemeten. Wat is de kans om 1 te krijgen?
  11. Welke beschrijving van de energierelaxatietijd T1 van een qubit is juist?
  12. Welke beschrijving van het verband tussen de defaseringstijd T2 en de energierelaxatietijd T1 van een qubit is juist?
  13. Wat is de meest passende reden dat de prestaties van kwantumcomputers niet alleen op hun aantal qubits kunnen worden vergeleken?
  14. Welk element is onmisbaar om een supergeleidende qubit (transmon) als qubit te laten werken?
  15. Wat is de belangrijkste reden dat supergeleidende qubits in een verdunningskoeler tot ongeveer 10 tot 20 mK worden afgekoeld?

Verwante termen

Superpositie (kwantumsuperpositie) Verstrengeling (kwantumverstrengeling) Transmon Josephson-junctie (Josephson junction) Verdunningskoeler (dilution refrigerator) Mobiliteit Surface code (oppervlaktecode) Ionenval (ion trap) Kwantumpoort (quantum gate) Tijdconstante

Naar de woordenlijst