Na computação quântica, um qubit é uma unidade de informação análoga a um bit (dígito binário) na computação clássica, mas que é afetada por propriedades da mecânica quântica, como a sobreposição e o emaranhamento quântico, que permitem que os qubits sejam, de certa forma, mais poderosos que os bits clássicos para algumas tarefas. Qubits são usados em circuitos quânticos e algoritmos quânticos compostos por portas lógicas quânticas para resolver problemas computacionais, onde são utilizados para entrada/saída e computações intermediárias.
Um qubit físico é um dispositivo físico que se comporta como um sistema quântico de dois estados, usado como componente de um sistema de computador. Um qubit lógico é um qubit físico ou abstrato que atua conforme especificado em um algoritmo quântico ou circuito quântico sujeito a transformações unitárias, possuindo um tempo de coerência longo o suficiente para ser utilizável por portas lógicas quânticas (cf. atraso de propagação para portas lógicas clássicas).
Desde o desenvolvimento do primeiro computador quântico em 1998, a maioria das tecnologias usadas para implementar qubits enfrenta problemas de estabilidade, decoerência quântica, tolerância a falhas e escalabilidade. Por causa disso, muitos qubits físicos são necessários para fins de correção de erros para produzir uma entidade que se comporte logicamente como um único qubit se comportaria em um circuito ou algoritmo quântico. Assim, os qubits lógicos contemporâneos geralmente consistem em muitos qubits físicos para fornecer a estabilidade, a correção de erros e a tolerância a falhas necessárias para realizar cálculos úteis.
Em 2023, pesquisadores do Google mostraram como a correção de erros quânticos pode melhorar o desempenho do qubit lógico aumentando a contagem de qubits físicos. Esses resultados revelaram que um qubit lógico maior (49 qubits físicos) apresentava uma taxa de erro menor, cerca de 2,9% por rodada de correção de erro, em comparação com uma taxa de cerca de 3,0% para o qubit lógico menor (17 qubits físicos).
Em 2024, pesquisadores da IBM criaram um código de correção de erros quânticos 10 vezes mais eficiente do que pesquisas anteriores, protegendo 12 qubits lógicos por cerca de um milhão de ciclos de verificações de erros usando 288 qubits. O trabalho demonstra a correção de erros em dispositivos de curto prazo ao mesmo tempo em que reduz a sobrecarga – o número de qubits físicos necessários para manter os erros baixos.
Ainda em 2024, Microsoft e Quantinuum anunciaram resultados experimentais que mostraram que qubits lógicos poderiam ser criados com significativamente menos qubits físicos. A equipe usou técnicas de correção de erros quânticos desenvolvidas pela Microsoft e o hardware de íons aprisionados da Quantinuum para usar 30 qubits físicos na formação de quatro qubits lógicos. Os cientistas usaram um sistema de virtualização de qubits e extração ativa de síndrome — também chamada de correção de erros repetida — para conseguir isso. Esse trabalho define o caminho sobre como alcançar qubits lógicos na computação quântica.
Visão geral As operações de portas lógicas quânticas de 1 bit e 2 bits provaram ser universais.
Um algoritmo quântico pode ser instanciado como um circuito quântico.
Um qubit lógico especifica como um único qubit deve se comportar em um algoritmo quântico, sujeito a operações lógicas quânticas que podem ser construídas a partir de portas lógicas quânticas. No entanto, os problemas nas tecnologias atuais impedem que sistemas simples de dois estados quânticos, que podem ser usados como qubits físicos, codifiquem e retenham de forma confiável essas informações por tempo suficiente para serem úteis. Portanto, as tentativas atuais de produzir computadores quânticos escaláveis exigem correção de erros quânticos e vários (atualmente, muitos) qubits físicos devem ser usados para criar um único qubit lógico tolerante a erros. Dependendo do esquema de correção de erros utilizado e das taxas de erro de cada qubit físico, um único qubit lógico pode ser formado por até 1.000 qubits físicos.
Computação quântica topológica A abordagem de qubits topológicos, que tira vantagem de efeitos topológicos na mecânica quântica, foi proposta como necessitando de muito menos — ou até mesmo de um único — qubit físico por qubit lógico. Qubits topológicos dependem de uma classe de partículas chamadas anyons que têm spin que não é nem semi-inteiro (férmions) nem inteiro (bósons), e, portanto, não obedecem à estatística de Fermi-Dirac nem à estatística de Bose-Einstein de comportamento de partículas. Os anyons exibem simetria de trança (braid symmetry) em suas linhas de universo, o que confere propriedades desejáveis para a estabilidade dos qubits. Notavelmente, os anyons devem existir em sistemas restritos a duas dimensões espaciais ou menos, de acordo com o teorema da estatística do spin, o qual afirma que em 3 ou mais dimensões espaciais, apenas férmions e bósons são possíveis. Em 2025, os pesquisadores fizeram progressos na computação quântica topológica medindo com sucesso, em uma única etapa, o estado de partículas especiais chamadas modos zero de Majorana.
Ver também
Correção de erros quânticos Computação quântica supercondutora Junção Josephson Computador quântico de íons aprisionados Computação quântica baseada em semicondutores Ponto quântico Computação quântica topológica
Categoria:Computação quântica