کیوبیت، یا بیت کوانتومی، کوچک‌ترین واحد داده در رایانش کوانتومی است. در رایانه‌های سنتی، واحد پایه داده بیت نامیده می‌شود که می‌تواند مقدار ۰ یا ۱ را ذخیره کند. اما کیوبیت‌ها رفتار بسیار متفاوتی از بیت‌های کلاسیک دارند، چون از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند.
به نقل از اسپیس، کیوبیت‌ها به دلیل ماهیت کوانتومی خود می‌توانند رفتارهایی مانند «برهم‌نهی» و «درهم‌تنیدگی» را نیز نشان دهند که همین جاست که موضوعات عجیب و غریب شروع می‌شوند.
تفاوت بین بیت و کیوبیت چیست؟
در حالی که بیت می‌تواند تنها ۰ یا ۱ باشد، کیوبیت‌ها می‌توانند همزمان در هر دو حالت ۰ و ۱ باشند؛ به این حالت «برهم‌نهی» گفته می‌شود. کیوبیت در حالت برهم‌نهی باقی می‌ماند تا زمانی که توسط یک عامل خارجی مانند گرما مشاهده یا دچار اختلال شود.
این حالت کوانتومی بسیار حساس است و به همین دلیل، کیوبیت‌ها باید از هر نوع تداخل خارجی محافظت شوند. این کار اغلب به دمای بسیار سرد نیاز دارد.
برهم‌نهی به کیوبیت‌ها این امکان را می‌دهد که در چندین حالت به طور همزمان باشند و با افزایش تعداد کیوبیت‌ها، تعداد حالت‌های ممکن به طور نمایی افزایش می‌یابد.
برای مثال، اگر دو بیت کلاسیک داشته باشید، این بیت‌ها در هر لحظه فقط می‌توانند یکی از چهار حالت ۰۰، ۰۱، ۱۰ یا ۱۱ را داشته باشند. اما اگر دو کیوبیت داشته باشید، می‌توانید اطلاعات را در هر چهار حالت به صورت همزمان رمزگذاری کنید. این ویژگی به رایانه‌های کوانتومی این پتانسیل را می‌دهد که قدرت پردازش بسیار بیشتری نسبت به رایانه‌های معمولی داشته باشند.
هر چه تعداد کیوبیت‌ها بیشتر باشد، تعداد محاسباتی که می‌توانند به طور همزمان پردازش کنند، بیشتر می‌شود. البته برای اینکه شاهد این رشد نمایی در قدرت پردازش باشیم، باید کیوبیت‌ها را «درهم‌تنیده» کنیم.
درهم‌تنیدگی کوانتومی چگونه عمل می‌کند؟
در پدیدهٔ درهم‌تنیدگی کوانتومی، وضعیت ذرات زیراتمی به هم مرتبط می‌شوند، حتی اگر در فاصله‌های بسیار دور از هم قرار داشته باشند. به دست آوردن اطلاعات از یک کیوبیت، به طور خودکار اطلاعاتی را دربارهٔ ذرهٔ درهم‌تنیدهٔ آن نیز فراهم می‌کند.
ذرات درهم‌تنیده همیشه در حالت‌های مرتبط قرار دارند. بنابراین، اگر یکی از ویژگی‌های ذره (مانند اسپین) اندازه‌گیری شود و به برهم‌نهی آن خاتمه داده شود، دقیقاً همین اتفاق برای ذرهٔ درهم‌تنیدهٔ آن نیز می‌افتد.
چون حالت‌های دو ذرهٔ درهم‌تنیده همیشه به هم مرتبط هستند، دانستن حالت یک ذره به ما امکان می‌دهد که حالت ذرهٔ دیگر را نیز بفهمیم.
دانشمندان در حال بررسی این موضوع هستند که آیا ممکن است بدون اندازه‌گیری مستقیم کیوبیت و از بین بردن حالت برهم‌نهی آن، بتوان اطلاعاتی از طریق تعاملات کیوبیت با محیط پیرامون آن استنتاج کرد یا نه.
درهم‌تنیدگی کوانتومی کیوبیت‌ها همچنین به آنها این امکان را می‌دهد که به طور همزمان با یکدیگر تعامل داشته باشند، آن هم بدون توجه به فاصله‌ای که از یکدیگر دارند.
وقتی این پدیده با برهم‌نهی ترکیب شود، به طور نظری، کیوبیت‌ها می‌توانند قدرت محاسباتی رایانه‌های کوانتومی را بسیار تقویت کنند و امکان انجام محاسبات پیچیده‌ای را فراهم کنند که رایانه‌های سنتی حتی قوی‌ترین آنها نمی‌توانند از پس آن بربیایند.
در حال حاضر این امکان در مقیاس کوچک وجود دارد، اما چالش این است که بتوان آن را در مقیاس بزرگ‌تری پیاده‌سازی کرد. برای مثال، برخی محاسبات مانند شکستن الگوریتم‌های رمزنگاری، می‌تواند میلیون‌ها سال طول بکشد تا یک رایانهٔ کلاسیک آن را انجام دهد.
اما اگر بتوانیم رایانه‌ای با میلیون‌ها کیوبیت بسازیم، همان الگوریتم‌ها در عرض چند ثانیه حل خواهند شد.
متأسفانه، کیوبیت‌ها عمر کوتاهی دارند و حالت برهم‌نهی آنها با کوچک‌ترین عوامل محیطی مانند گرما یا حرکت از بین می‌رود. به همین دلیل، آنها «نویزدار» و مستعد خطا تلقی می‌شوند.
برای جلوگیری از این خطاها، بسیاری از کیوبیت‌ها باید تا نزدیکی صفر مطلق خنک شوند و با استفاده از تجهیزات خاصی حفظ شوند.