2.1 Quantumbits

Bits zijn de fundamentele eenheid van informatie in onze huidige computers. Om een bit te maken, heb je een fysiek object nodig dat zich in één van twee duidelijk te onderscheiden toestanden kan bevinden, zoals een muntje met twee zijden of een condensator die elektrische lading kan opslaan op twee verschillende spanningsniveaus. ⁷⁷ 7 Dit is in feite de manier waarop bits worden weergegeven in je computer, mobiele telefoon, enz. Het gedrag van zulke objecten (en dus de bits die ze coderen) kan worden beschreven door natuurkundige theorieën zoals mechanica (voor muntjes) of elektromagnetisme (voor condensatoren).

Maar voor heel kleine⁸⁸ 8 Met ’heel klein’ bedoelen we echt heel klein! Als je elektronen naast elkaar in een rij zou zetten, is het aantal elektronen dat je nodig hebt om een lengte van 1 cm te bereiken vergelijkbaar met het aantal pagina’s dat je op elkaar moet leggen om de maan te bereiken. objecten gelden deze theorieën niet meer en moet je een meer fundamentele theorie gebruiken, die quantummechanica heet. Een elektron heeft bijvoorbeeld een bepaalde eigenschap, spin, die (net als een muntje) één van twee waarden kan aannemen - omhoog of omlaag - en dus gebruikt kan worden om een bit op te slaan. Maar in tegenstelling tot een muntje kan de spin van een elektron zich niet in maar één van deze twee toestanden bevinden, maar ook in een “superpositie” van beide! Intuïtief gezien kan je dit vergelijken met een probabilistische bit, die zich ook in een tussentoestand tussen $0$ en $1$ kan bevinden.

Er is wel een subtiel verschil tussen waarschijnlijkheden en ’superposities’ (zie Paragraaf 2.6.1 over interferentie). Zoals we zullen zien, leiden de wetten van de quantummechanica tot een veel fundamenteler begrip van informatie dan een bit - een quantumbit of qubit. Om de gewone bits te onderscheiden van hun exotischere quantumvrienden, zullen we de gewone bits klassiek noemen.

We zullen quantumbits beschrijven aan de hand van een eenvoudig wiskundig model en ons verder geen zorgen maken over hoe we hun vreemde gedrag moeten interpreteren, in plaats daarvan stellen we de vraag: "Waarvoor kunnen ze worden gebruikt?". Ook zullen we ons geen zorgen maken over hoe ze in de praktijk geïmplementeerd kunnen worden of wat voor soort fysieke objecten gebruikt kunnen worden om ze op te slaan. Als je hier toch nieuwsgierig naar bent, bespreken we in Paragraaf 2.6.2 kort hoe de polarisatie van licht gebruikt kan worden om een qubit te representeren.