Os futuros computadores quânticos usarão o sistema numérico binário, ternário ou quaternário?

Nossos computadores atuais usam bits, então eles usam o sistema de números binários. Mas ouvi dizer que os futuros computadores quânticos usarão qubits em vez de bits simples.

Como na palavra "qubit" existe a palavra "bi", pensei primeiro que isso significava que computadores quânticos usariam binário (base 2).

Mas então ouvi dizer que os qubits tinham três estados possíveis: 0, 1 ou uma superposição de 0 e 1. Então, pensei que isso deveria significar que eles usariam ternários (base 3).

Mas então vi que um qubit pode conter tanta informação quanto dois bits. Então eu pensei que isso talvez significasse que eles usariam o quaternário (base 4).

Então, qual sistema numérico os futuros computadores quânticos usarão: binário, ternário ou quaternário?

As outras respostas são boas, mas nenhuma aborda a questão: que base (s) numérica (s) os computadores quânticos podem usar? Responderei em duas partes: primeiro, a pergunta é um pouco sutil, e segundo, você pode usar qualquer base numérica e depois trabalhar com qutrits ou, em geral, com qudits, o que leva a intuições qualitativamente novas! Ou, de qualquer forma, tentarei defender o que eles fazem.

Um bit quântico não é apenas ou 1 , é um pouco mais complexo que isso. Por exemplo, um bit quântico pode estar no estado $0$$1$. Quando medido, você medirá o resultado0com probabilidade$\sqrt{\frac{1}{4}}|0\rangle+\sqrt{\frac{3}{4}}|1\rangle$$0$ e o resultado1com probabilidade$\frac{1}{4}$$1$ . A 'superposição' de que você falou é$\frac{3}{4}$, mas, em geral, qualquer par de números complexosumebvai fazer, enquantoum2+b2=1. Se você tiver três qubits, poderá envolvê-los e o estado será$\sqrt{\frac{1}{2}}|0\rangle+\sqrt{\frac{1}{2}}|1\rangle$$a$$b$$a^2+b^2=1$

$$a_0|000\rangle + a_1|001\rangle+a_2|010\rangle+a_3|011\rangle+a_4|100\rangle +a_5|101\rangle+a_6|110\rangle +a_7|111\rangle$$

Mas quando você mede esse sistema de três qubit, seu resultado de medição é um desses oito estados, ou seja, três bits. Essa é uma dicotomia realmente estranha, onde por um lado os sistemas quânticos parecem ter esse espaço de estado exponencial, mas, por outro lado, parece que só conseguimos "chegar" a uma parte logarítmica do espaço de estado. Em 'Computação quântica desde Demócrito', Scott Aaronson investiga essa pergunta, combinando várias classes de complexidade para tentar entender quanto desse espaço de estado exponencial podemos explorar para a computação.

$2^3$$\texttt{unsigned int}$

$\mathbb{C}^3$$3\times 3$$f\colon \{0,\ldots, kn-1\}\rightarrow \{0,\ldots, k-1\}$$k$$k$

$$|a\rangle \mapsto \sum_{u=0}^{k-1}e^{i2\pi\frac{au}{k}}|u\rangle$$

$0\ldots k-1$$\geq k$$r$$r=2$$r=5$$5$$5$$2$

$n$

Computadores quânticos usam binário. Mas, na verdade, isso é uma simplificação, e não há uma resposta simples de como funcionam os algoritmos quânticos que não entram na matemática da física quântica e da computação quântica. A melhor maneira de entender essa área é começar estudando computação quântica. Existem muitos livros e tutoriais excelentes por aí.

Quem disse que os qubits têm três estados possíveis, estava errado. Não é bem assim que a mecânica quântica funciona. Em certo sentido, existem infinitos estados possíveis ... mas leia sobre computação quântica para aprender a história real.

$0$$1$

A computação quântica usa qbits (acho que significa bits quânticos). O Qbits permite bits " sobrepostos ", ou seja, entidades que podem conter vários bits no mesmo lugar, teoricamente (de acordo com o estado atual do conhecimento), um número ilimitado de bits.

$2^n$

Portanto, ele permanece em um sistema binário, embora tenha propriedades físicas diferentes.

Mas eu sugiro fortemente que você siga os conselhos da DW e veja livros e tutoriais.

$(a\ \ b)^T$$\mathbb C^2$

No entanto, o exposto acima não é muito útil para computação quântica com erros de correção de erros, que é o que você precisaria se realmente pretender programar algo em um computador quântico existente. Sob esse modelo, você não seria capaz de preparar qubits arbitrários (no sentido acima), no entanto, qualquer estado de qubit pode ser aproximado com precisão arbitrária. Assim, você ainda teria muitos estados infinitos, mesmo para um único qubit, mas eles serão muitos (em comparação com o outro caso).

$|0 \rangle$$|1\rangle$$\mathbb C^2.$

As partículas quânticas podem estar em quatro estados. Eles podem girar para cima, para baixo e ser destros ou canhotos. Se você estiver medindo partículas que estão emaranhadas, quando você as medir, elas estarão em alguma combinação desses quatro estados. Se pudéssemos prever ou usar algum tipo de borracha, pareceria uma boa ideia usar quarternar e não binário. Como está agora, o binário está sendo usado, mas no futuro algo diferente provavelmente substituirá o binário. Computadores quânticos são como computadores clássicos nos anos 50, são enormes, caros e pouco práticos. Na verdade, eles são pouco úteis no momento. Ainda lutamos com a decoerência. A esperança é identificar uma partícula quântica topológica que possa manter a coerência (é robusta) e, se esse dia chegar, fique atento! A revolução com decolar como um foguete. Para ser honesto, ninguém pode dizer com certeza como serão os Q-Computers no futuro, quando ocorrer a singularidade (daqui a 30 anos) todas as apostas estão fora. Ninguém pode lhe dizer o que vai acontecer além desse ponto. Os computadores podem decolar em direções que nem sonhamos.