Has sentit el discurs cent vegades: els ordinadors quàntics trencaran el xifratge, curaran malalties i resoldran problemes que "els ordinadors clàssics no podrien resoldre mai". Llavors busques una explicació i et trobes un mur de bras, kets i esferes de Bloch que sembla escrit per a gent que ja té un doctorat.

No ho fem, això.

Ja saps què és un bool. Ja saps què fa una multiplicació de matrius quan la programes. Aquesta és, de debò, la major part de la maquinària que necessites. Aquest article et dona el model mental; els següents de la sèrie entraran en l'entrellaçament, les portes, els circuits i, finalment, la criptografia postquàntica, que és la part que realment t'hauria de preocupar (o engrescar) com a enginyer.

Comencem pel que ja coneixes: el bit

Un bit clàssic és avorrit per disseny. És 0 o 1. Punt. Cada programa que has escrit, cada fila d'una base de dades, cada paquet de xarxa: a sota de tot plegat hi ha 0s i 1s definits, quiets, esperant que algú els llegeixi.

Aquesta quietud és una virtut. És per això que els ordinadors clàssics són fiables. Però també és un sostre. Si vols saber "què passa per a cada entrada possible", executes la funció una vegada per entrada. Deu booleans són 1.024 combinacions, i les comproves d'una en una (o en paral·lel, si tens 1.024 nuclis a mà).

Entra en escena el qubit

Un qubit és la versió quàntica d'un bit, i trenca aquesta quietud expressament.

Un qubit pot ser |0⟩, pot ser |1⟩ (aquesta notació de barra i angle només és la manera que tenen els físics d'escriure "l'estat etiquetat com a 0"; tracta-la com un nom de variable pompós) o —i aquí hi ha tot el joc— pot ser una cosa que un bit clàssic no pot ser mai: totes dues alhora.

Superposició

Aquest estat de "totes dues alhora" s'anomena superposició, i es mereix el seu propi moment.

Aquesta és l'analogia de programació més similar: imagina't una variable que no guarda un valor, sinó una petita distribució de probabilitats sobre els seus valors possibles, juntament amb una informació addicional de "fase" (ja arribarem a per què això importa). En lloc d'un sol int, tens una cosa més semblant a un vector ponderat de possibilitats amb valors complexos, i cada operació que hi apliques remodela tota la distribució alhora, no només una de les branques.

Això és la superposició. No és que "el qubit sigui secretament 0 o 1 i nosaltres encara no sapiguem quin valor és": realment conté totes dues possibilitats, cadascuna amb el seu pes, fins que alguna cosa l'obliga a decidir-se.

Si has llegit una mica sobre física i/o computació quàntica, potser has sentit a parlar de l'analogia del gat de Schrödinger, que per a qui no és expert porta a confusió. Així que el suggeriment és deixar-la de banda o directament oblidar-la.

El parany: mai no pots "llegir" un qubit sense més

Aquesta és la part on la gent ensopega, i també és la regla més important de tot el camp: no pots inspeccionar l'estat complet d'un qubit. No hi ha cap console.log(qubit).

L'única manera d'extreure informació d'un qubit és mesurar-lo, i mesurar:

  • sempre retorna exactament un bit clàssic: 0 o 1, mai "una mica de tots dos"
  • és probabilístic: el valor que obtens depèn dels pesos (les amplituds) incorporats a la superposició
  • col·lapsa el qubit: en el moment que mires, la superposició desapareix, i el qubit passa a ser un 0 o un 1 pelat, com un bit clàssic un altre cop

Així doncs, un qubit és ric i ple d'informació mentre calcula, i et dona exactament un bit avorrit en l'instant que el consultes. Aquesta és possiblement la font de confusió més gran sobre els ordinadors quàntics: la gent assumeix que pots llegir alguna mena de resposta quàntica exòtica. Doncs no. Obtens un 0 o un 1, com sempre; la màgia ha passat abans que miressis, en la manera com s'han modelat les probabilitats d'aquesta resposta.

On et deixa tot això

El model mental que cal retenir, despullat de tota la resta:

Bit clàssic Qubit
Valors 0 o 1 0, 1 o una superposició de tots dos
Representació de l'estat Un sol valor Un vector d'amplituds complexes
Llegir-lo Sempre segur, sense efectes secundaris Mesura, col·lapsa l'estat, resultat probabilístic

Aquest és, realment, el nucli d'un sol qubit: un valor que pot ser 0 i 1 alhora, just fins al moment que el consultes, i en el moment que el consultes ja no ho és.

Però un qubit sol no és d'on ve la potència. La part interessant comença quan en poses uns quants junts i deixen de comportar-se com a variables independents. Això és l'entrellaçament, i és per on continua aquesta sèrie, juntament amb les portes: les operacions matricials que et permeten dirigir les probabilitats d'un qubit abans de mesurar-lo.