Cúbit

Un qubit o cubit (del inglés quantum bit, bit cuántico) es un sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente. Esto es, se trata de un sistema que sólo puede ser descrito correctamente mediante la mecánica cuántica, y en que solamente tiene dos estados bien distinguibles mediante medidas. También se entiende por qubit la información que contiene ese sistema cuántico de dos estados posibles. En esta acepción, el qubit es la unidad mínima y por lo tanto constitutiva de la teoría de la información cuántica. Es un concepto fundamental para la computación cuántica y para la criptografía cuántica, el análogo cuántico del bit en informática.

Representación gráfica de un qubit en forma de esfera de Bloch: aparte de los estados $\{|0\rangle ,|1\rangle \}$, son posibles estados generales de tipo $|\Psi \rangle$.

Su importancia radica en que la cantidad de información contenida en un qubit, y, en particular, la forma en que esta información puede ser manipulada, es fundamental y cualitativamente diferente de un bit clásico. Hay operaciones lógicas, por ejemplo, que son posibles en un qubit y no en un bit.​

El concepto de qubit es abstracto y no lleva asociado un sistema físico concreto. En la práctica, se han preparado diferentes sistemas físicos que, en ciertas condiciones, pueden describirse como qubits o conjuntos de qubits. Los sistemas pueden ser de tamaño macroscópico, como una muestra de resonancia magnética nuclear o un circuito superconductor, o microscópico, como un conjunto de iones suspendidos mediante campos eléctricos o de defectos cristalográficos en el diamante.

Matemáticamente, un qubit puede describirse como un vector de módulo unidad en un espacio vectorial complejo bidimensional. Los dos estados básicos de un qubit son |0> y |1>, que corresponden al 0 y 1 del bit clásico (se pronuncian: ket cero y ket uno). Pero además, el qubit puede encontrarse en un estado de superposición cuántica (también denominado estado qubital puro) combinación de esos dos estados ($\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle$). En esto es significativamente distinto al estado de un bit clásico, que puede tomar solamente los valores 0 o 1.

Los qubits como unidades de información cuántica

Se ha argumentado que el producto más curioso de la teoría de la información cuántica es el propio concepto de la información cuántica, representado habitualmente por el qubit, y que ésta ofrece una nueva perspectiva a la física, complementaria a la perspectiva geométrica.​ Es la analogía cuántica de la teoría de la información clásica de Shannon.

En la física clásica ya se encontraban relaciones fuertes con la información, como en el caso de la entropía ilustrado por el demonio de Maxwell. En mecánica cuántica esta relación se extiende, y se encuentran resultados como el teorema de no clonación, que impide el copiado de un estado cuántico no conocido, con consecuencias profundas en computación cuántica pero también con una relación clara con el principio de indeterminación.

Registro cuántico

Varios qubits juntos forman un registro de qubits o registro cuántico. Las computadoras u ordenadores cuánticos ejecutan algoritmos cuánticos, tales como el algoritmo de Shor que descompone en factores un número N con una complejidad computacional en tiempo $O((\log N)^{3})$ y en espacio $O(\log N)$, manipulando qubits mediante puertas cuánticas.

Propiedades de los qubits

Paralelismo cuántico

Ya se ha indicado una de las diferencias entre bit y qubit: un bit toma valores discretos mientras que los valores representados por un qubit son de naturaleza continua. Sin embargo, esta característica podría replicarse con magnitudes continuas clásicas (longitudes, voltajes, etc).

Una segunda diferencia es el paralelismo cuántico, que es la posibilidad de representar simultáneamente los valores 0 y 1. Los algoritmos cuánticos que operan sobre estados de superposición realizan simultáneamente las operaciones sobre todas las combinaciones de las entradas. Por ejemplo, los dos qubits

${\frac {1}{2}}(|0\rangle +|1\rangle )(|0\rangle +|1\rangle )={\frac {1}{2}}(|0\rangle |0\rangle +|0\rangle |1\rangle +|1\rangle |0\rangle +|1\rangle |1\rangle )$

representan simultáneamente las combinaciones 00, 01, 10 y 11. En este "paralelismo cuántico" se cifra la potencia del cómputo cuántico.

Entrelazamiento cuántico

Una tercera característica importante que distingue al qubit del bit clásico es que múltiples qubits pueden presentarse en un estado de entrelazamiento cuántico. En el estado no entrelazado

${\frac {1}{2}}(|0\rangle |0\rangle +|0\rangle |1\rangle +|1\rangle |0\rangle +|1\rangle |1\rangle )$

pueden darse las cuatro posibilidades: que la medida del primer qubit dé 0 o 1 y que la medida del segundo qubit dé 0 o 1. Esto es posible porque los dos qubits de la combinación son separables (factorizables), pues la expresión anterior puede escribirse como el producto

$(|0\rangle +|1\rangle )\times (|0\rangle +|1\rangle )$.

El entrelazamiento es una característica no local que permite que un sistema de qubits se exprese con una correlación más alta que la posible en sistemas clásicos. Un sistema de dos qubits entrelazados no puede descomponerse en factores independientes para cada uno de los qubits. Sea, por ejemplo, el entrelazamiento de dos qubits en un estado de Bell:

$|\beta _{00}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}(|00\rangle +|11\rangle )$

(Nota: en este estado las probabilidades de obtener |00> o |11> son iguales.)

Supongamos que uno de estos dos qubits entrelazados se entrega a Alicia y el otro a Bob. Alicia hace la medida de su qubit, y supongamos que obtiene el valor 0. Debido al entrelazamiento de los qubits, si Bob hace ahora su medida, conseguirá el mismo valor que Alicia, es decir, debe obtener 0. Esto es porque no existe el término |01>. De la misma forma, si Alicia hace su medida y obtiene el valor 1, y Bob la hace después, deberá obtener obligatoriamente 1 (puesto que no existe el término |10>). De esta forma, el resultado que obtiene Bob está condicionado por el que obtenga Alicia, aunque estén separados por años luz de distancia.

Este estado puede utilizarse para realizar la teleportación cuántica.

Puertas lógicas cuánticas

Uno de los principales modelos de computación cuántica es el circuito cuántico, en el que se aplican puertas lógicas sobre los qubits. Éstas tienen ciertas diferencias comparadas con las que se usan en los circuitos digitales convencionales. En particular, todas las puertas lógicas cuánticas son reversibles, es decir, que es posible invertir su acción mediante otra puerta lógica. En la práctica, esto significa que el número de qubits de la entrada ha de coincidir con el de la salida. Cada puerta lógica cuántica se representa por una matriz unitaria.

La puerta de Hadamard en un cirtuito cuántico.

Un ejemplo es la puerta Hadamard, que acepta como entrada $|0\rangle$ para dar como salida ${\frac {|0\rangle +|1\rangle }{\sqrt {2}}}$ o acepta $|1\rangle$ para dar ${\frac {|0\rangle -|1\rangle }{\sqrt {2}}}$. En la esfera de Bloch, se puede ver como una rotación de $\pi$ sobre los ejes x y z. La matriz de Hadamard se expresa como:

$H={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}$.

Representación física

Cualquier estado cuántico de dos niveles se puede utilizar para representar un qubit. Los sistemas de niveles múltiples se pueden utilizar también, si poseen dos estados que se puedan desemparejar con eficacia del resto (por ejemplo, el estado fundamental y el primer estado excitado de un oscilador no lineal). Hay varias opciones de este tipo de sistemas que se han puesto en práctica con diferentes grados de éxito.​ Por otro lado, distintas implementaciones de qubits podrían emplearse juntas para construir un computador cuántico, de la misma forma que se hace en la computación clásica, en donde un bit puede representarse mediante el estado de un transistor en una memoria, por el estado de magnetización de un disco duro o por la transmisión de corriente en un cable.

Sistemas atómicos, moleculares y ópticos

Trampa de iones o de átomos

Si se considera un ion atrapado en una trampa iónica y enfriado mediante láser, es posible considerar como un qubit al estado fundamental y uno de sus estados excitados electrónicos. Se han llevado a cabo experimentos que muestran operaciones elementales de computación en este tipo de sistemas, en los que la interacción de Coulomb actúa como comunicación entre qubits. La manipulación de decenas de iones en ese tipo de trampas conlleva enormes dificultades experimentales; se han hecho propuestas teóricas sobre cómo escalar ese tipo de esquema a un número mayor de qubits, a base de conectar entre sí una serie de trampas, moviendo a los iones entre ellas cuando es necesario para establecer entrelazamiento o puertas lógicas.​

Espines nucleares

El espín de los distintos núcleos atómicos de una molécula sencilla, o, más exactamente, la polarización de la magnetización de esos núcleos en un vasto número de moléculas idénticas puede ser usada como qubits. Varias de las técnicas de resonancia magnética nuclear en disolución que fueron desarrolladas en la segunda mitad del siglo XX pueden ser reinterpretadas en el contexto de la computación cuántica, en concreto algunos de los pulsos de ondas de radio que se usan habitualmente en experimentos sofisticados de elucidación de estructuras químicas se han usado como puertas lógicas cuánticas. En los años 1990 se sucedieron una serie de experimentos de demostración de las bases de la computación cuántica mediante esta implementación. Los primeros resultados fueron espectaculares comparados con otras implementaciones físicas de qubits, pues se beneficiaban de la ciencia y la tecnología de un campo maduro, sin embargo desde entonces el progreso ha sido más lento, principalmente porque el problema de escalar estos experimentos a un número mayor de qubits se encuentra con problemas fundamentales.​

Sistemas de estado sólido

Uniones de Josephson: fase, carga, flujo

Se han llevado a cabo numerosos estudios teóricos e implementaciones experimentales de qubits basados en las uniones de Josephson entre materiales superconductores, que aprovechan las propiedades de los pares de Cooper. En particular, se han preparado y caracterizado superposiciones de estados en anillos superconductores entre corrientes en un sentido y en sentido opuesto.​ Estas investigaciones se enmarcan en los estudios de las uniones de Josephson como sistemas cuánticos con un número macroscópico de partículas, parte de la exploración de la frontera entre la física clásica y la cuántica.

Defectos cristalinos en diamante

Entre los muchos posibles defectos cristalográficos de los diamantes se encuentran los pares de nitrógeno-vacante, NV, que consisten en la sustitución de dos átomos de carbono por uno de nitrógeno, quedando una de las posiciones sin ocupar. Por la diferencia de configuración electrónica entre el carbono, que tiene cuatro electrones de valencia y el nitrógeno, que tiene cinco, esto conlleva necesariamente un electrón desapareado. Sin embargo, el caso que ha sido más explorado es el centro nitrógeno-vacante aniónico, en el que hay un electrón extra ocupando la vacante, con una fuerte interacción de canje que resulta en un estado de espín S=1. Como ese espín presenta un considerable desdoblamiento a campo nulo, el par m_s=$\pm$1 es lo que puede servir como qubit, y se han llevado a cabo experimentos que muestran el acoplamiento coherente entre dos de estos qubits.​ También se ha logrado observar dinámicas de espín coherentes entre el espín electrónico y el espín nuclear de algunos de átomos ¹³C cercanos al centro NV, que pueden considerarse como una memoria, puesto que están relativamente protegidos de la decoherencia.​​

Descripción matemática del estado del qubit

Vector de estado o matriz densidad

Un qubit, en general, se presenta como una superposición o combinación lineal de los estados básicos $|0\rangle$ y $|1\rangle$:

$|\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle$

donde las amplitudes de probabilidad α y β son en general números complejos, esto es, contienen información de fase. Como en cualquier medida en mecánica cuántica, los cuadrados de estos coeficientes determinan respectivamente la probabilidad de obtener en una medida los resultados $|0\rangle$ y $|1\rangle$. Puesto que la probabilidad total tiene que ser la unidad, α y β se deben relacionar por la ecuación:

$\|\alpha \|^{2}+\|\beta \|^{2}=1$

Esta ecuación simplemente asegura que en la medición se obtiene un estado o el otro. Debido a su naturaleza cuántica, cualquier medida del qubit altera inevitablemente su estado: se rompe la superposición y colapsa en aquel estado de base que ha resultado de la medida, y {$\alpha ,\beta$} se transforma irreversiblemente en {$0,1$}.

Alternativamente, el qubit también puede describirse por medio de una matriz densidad. Para un qubit en el estado $\left|\psi \right\rangle$ el operador proyección correspondiente es:

$\rho _{\psi }=\left|\psi \right\rangle \left\langle \psi \right|$

En contraste con el vector de estado, la matriz de densidad está definida de forma unívoca. Mediante matrices densidad, es posible describir a qubits cuyo estado no es bien conocido, los llamados «estados mezcla». En general se puede escribir la matriz densidad de un qubit en la forma

(*)$\rho ={\frac {1}{2}}\left(\mathbf {1} +\sum _{i=1}^{3}c_{i}\sigma _{i}\right),\quad c_{1}^{2}+c_{2}^{2}+c_{3}^{2}\leq 1$

donde $\mathbf {1}$ es la matriz unidad 2×2 y $\sigma _{i}$ son las matrices de Pauli. La probabilidad de encontrar el estado $\left|\psi \right\rangle$ en una medida viene dada por $p_{\psi }=\left\langle \psi \right|\rho \left|\psi \right\rangle$.

Esfera de Bloch

Coordenadas esféricas.

El espacio de estados del qubit se puede representar mediante un espacio vectorial complejo bidimensional de módulo 1. Equivalentemente, se pueden representar como puntos en la superficie de una esfera; esta superficie se llama esfera de Bloch en honor del físico Felix Bloch. Cada estado del qubit corresponde a un punto de la superficie de una esfera de radio unidad. Esto esencialmente significa que un qubit tiene dos grados de libertad locales. Estos grados de libertad podrían ser la longitud y latitud, o como es más habitual, dos ángulos $\theta$ y $\phi$ en coordenadas esféricas, como se muestra en la figura. Si se asigna el estado $|1\rangle$ al «polo norte» de la esfera, el estado correspondiente es:

$\left|\psi \right\rangle =\sin(\theta /2)\mathrm {e} ^{-\mathrm {i} \phi /2}\left|0\right\rangle +\cos(\theta /2)\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \phi /2}\left|1\right\rangle$

Representación en la esfera de Bloch de los estados de un qubit basado en la polarización de un fotón.

Un caso intuitivo para el uso de la esfera de Bloch es el de la partícula de espín 1/2, en el que el punto sobre la esfera indica la dirección en la que el qubit es función propia de la proyección del espín, esto es, donde se va a obtener un valor determinado, no probabilístico, para S_z. Sin embargo, es aplicable a cualquier qubit. En la siguiente figura, a modo de ejemplo, se representan algunos estados de un qubit basado en la polarización de un fotón: |0> y |1> son equivalentes a la polarización vertical y horizontal, dos de las combinaciones lineales con el mismo peso de |0> y |1> son las polarizaciones diagonales, y las otras dos son las polarizaciones circulares.

Sistema de varios qubits

El estado conjunto de un sistema formado por N qubits se describe como un punto en el espacio de Hilbert de dimensión 2^N, el producto tensorial de los N espacios de Hilbert de cada qubit. Se puede representar el estado compuesto de forma compacta, por ejemplo:

$\left|0100\right\rangle =\left|0\right\rangle _{1}\otimes \left|1\right\rangle _{2}\otimes \left|0\right\rangle _{3}\otimes \left|0\right\rangle _{4}$

donde la posición o el índice {1-4} indican el qubit y el valor {0,1} indican el estado de cada qubit. Todo producto directo entre estados de qubits da lugar a un estado conjunto de N qubits, por ejemplo:

${\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\left|0\right\rangle _{1}+\left|1\right\rangle _{1}\right)\otimes {\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\left|0\right\rangle _{2}-\left|1\right\rangle _{2}\right)={\frac {1}{2}}\left(\left|00\right\rangle -\left|01\right\rangle +\left|10\right\rangle -\left|11\right\rangle \right)$

En cambio, no se aplica lo contrario: existen estados conjuntos de N qubits que no se pueden describir como producto de los estados individuales de los N qubits, por ejemplo ${\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\left|00\right\rangle +\left|11\right\rangle \right)$. Estos estados se conocen como entrelazados porque los estados de los dos qubits no son independientes.

Qubit, ebit, qutrit, qudit

El término qubit se atribuye a un artículo de Benjamin Schumacher que describía una forma de comprimir la información en un estado y de almacenar la información en el número más pequeño de estados, que ahora se conoce como compresión de Schumacher.​ En el artículo, Schumacher indicó que el término se inventó como broma, por su semejanza fonética con cubit (codo, en inglés), durante una conversación con William Wootters.

Posteriormente, por analogía al qubit, se denominó ebit a la unidad para cuantificar entrelazamiento cuántico,​ y qutrit al análogo del qubit con tres, y no dos, estados cuánticos, representados convencionalmente por: |0>, |1> y |2> (kets cero, uno y dos). Para más dimensiones del espacio de Hilbert, o cuando se está generalizando a d dimensiones, se habla de qudit.​

Véase también

• Computación cuántica
• Simulador cuántico universal
• Quantum
• Fórmula de Landau-Zener

Enlaces externos

• La organización cofundada por uno de los pioneros en computación cuántica, David Deutsch (en inglés)
• Del bit al qubit
• Monografía: Computadores Cuánticos, por Jesús Peña 2007.