Eu imagino que seja um bit menor e mais rápido. Continua sendo zero ou um, só que fabricado com alguma coisa quântica, certo?

Essa é uma ótima hipótese pra começar, mas ela não sobrevive aos experimentos. Primeiro, vamos separar o objeto físico da informação que ele representa. Um bit pode ser feito com tensão elétrica, magnetismo ou até uma chave mecânica.

Então zero e um são só nomes pra dois estados físicos. Tipo tensão baixa e tensão alta num circuito.

Exato. Num computador clássico, o estado de um bit, num dado instante, é zero ou um. Mesmo que a gente não saiba qual é, o bit ainda tem um desses dois valores bem definidos.

Se eu esconder uma moeda dentro de uma caixa, ela já caiu em cara ou coroa. Minha ignorância não deixa a moeda num estado especial.

Perfeito. Uma distribuição de cinquenta por cento para zero e cinquenta por cento para um pode representar apenas falta de informação. Talvez o bit já seja zero ou um, e a gente só não tenha olhado.

Então um qubit deve ser isso: uma moeda escondida numa caixa microscópica. Quando a gente abre, descobre o valor que já estava lá.

Parece óbvio, e é justamente aí que a intuição clássica prepara uma armadilha. Um qubit também pode estar no estado ket zero ou no estado ket um. Mas existem outros estados físicos que não equivalem a um valor clássico escondido.

Você vai dizer que ele é zero e um ao mesmo tempo. Isso quer dizer que o computador quântico testa todas as respostas de uma vez?

Não. Essa frase mistura superposição com acesso simultâneo a respostas clássicas, e leva a previsões erradas. Um algoritmo quântico precisa controlar interferências para que uma medição final revele alguma informação útil.

Mas o que é uma superposição, sem usar essa história de testar tudo? Se eu medir e só receber zero ou um, parece que não existe nada além disso.

O estado do qubit descreve como ele pode responder a diferentes operações e medições. Em certos estados, uma medição que pergunta “zero ou um?” produz cada resultado com cinquenta por cento de chance. Só que essas chances não contam a história inteira.

Pra mim, contam. Se dá metade zero e metade um, é igual a jogar uma moeda justa.

Vamos testar essa ideia. A gente prepara vários qubits em ket zero e aplica uma porta chamada Hadamard em cada um. Se medir logo depois, metade dos resultados tende a ser zero e metade tende a ser um.

Pronto, a porta Hadamard funciona como um embaralhador. Ela escolhe aleatoriamente zero ou um, e depois a medição só revela a escolha.

Agora vem o experimento que quebra essa explicação. Em vez de medir depois da primeira Hadamard, a gente aplica uma segunda Hadamard igual à primeira. Só então faz a medição.

Se a primeira embaralhou, a segunda deveria embaralhar de novo. Eu ainda esperaria metade zero e metade um.

Mas o resultado é sempre zero, no caso ideal. Duas aplicações da mesma porta devolvem o qubit ao estado ket zero. A aleatoriedade que apareceria no meio não era uma escolha clássica já realizada e escondida.

Espera. Depois de uma Hadamard, medir daria um resultado aleatório, mas não medir e aplicar outra Hadamard recupera o zero?

Isso mesmo. A primeira porta cria uma superposição coerente, e a segunda faz as partes desse estado interferirem. Para o resultado um, as contribuições se cancelam; para o zero, elas se reforçam.

Então a medição atrapalha o truque. Se eu medir entre as duas portas, ainda termino sempre em zero?

Não. Se houver uma medição no meio, ela produz zero ou um e destrói a coerência relevante entre as partes da superposição. Depois da segunda Hadamard, a medição final volta a apresentar resultados aleatórios.

Parece que o qubit percebe se eu estava olhando. Isso depende de uma pessoa consciente observando o aparelho?

Não depende de consciência. Medição é uma interação física que registra informação num aparelho ou no ambiente. Quando o caminho deixa uma marca acessível, a interferência pode desaparecer.

Ainda quero chamar a superposição de cinquenta por cento zero e cinquenta por cento um. Por que esse jeito de falar é insuficiente?

Porque existem superposições diferentes que dão as mesmas probabilidades nessa medição. Uma delas pode ser chamada de estado mais, e outra de estado menos. As duas dão metade zero e metade um quando medidas diretamente.

Se produzem exatamente os mesmos resultados, então são dois nomes pro mesmo estado. Não existe experimento capaz de separar um do outro.

Existe, e ele usa novamente a porta Hadamard. Aplicada ao estado mais, ela leva a ket zero; aplicada ao estado menos, ela leva a ket um. A diferença invisível na primeira medição vira uma diferença totalmente visível depois da porta.

Então as probabilidades de zero e um não definem sozinhas o estado. Falta alguma informação sobre como as partes da superposição se relacionam.

Exatamente. Essa relação inclui algo chamado fase relativa, que controla a interferência. Por isso um qubit não é apenas uma moeda clássica com um valor desconhecido.

Mas isso significa que um qubit guarda infinitos números e oferece memória infinita? Parece uma vantagem enorme sobre um bit.

O estado pode variar continuamente, mas uma única medição não despeja uma quantidade infinita de informação clássica. Ela entrega um resultado compatível com a medição escolhida. Para aprender um estado desconhecido, a gente precisa preparar e medir muitas cópias de forma controlada.

Então a vantagem não é abrir o qubit e ler todos os detalhes. Ela vem de manipular o estado antes da medição, usando interferência.

Isso. Um bit clássico tem dois estados definidos, enquanto o estado de um qubit também pode ocupar superposições com diferentes pesos e fases. No próximo passo do site, a gente vai visualizar esses estados e entender como as portas quânticas mudam o qubit sem recorrer ao mito de testar todas as possibilidades ao mesmo tempo.