Minden számítás magában foglalja az adatok bevitelét (inputját), bizonyos szabályok szerinti manipulálását, majd a végső válasz kiadását (outputját). A klasszikus számításoknál az adatok alapegysége a bit. A kvantumszámításoknál ez az egység a kvantumbit – vagy ahogyan az angolszász irodalomban időnként rövidítik: a qubit. A klasszikus bit két alternatíva egyikének felel meg. Bármi, ami két állapot közül pontosan az egyiket veszi fel, egy bittel jellemezhető. Később a különféle példák között látni fogunk logikai állítást, amely igaz vagy hamis értéket vesz fel, továbbá be- vagy kikapcsolt állapotú kapcsolót, de még egy jelen lévőt vagy hiányzó biliárdgolyót is. A kvantumbit éppúgy, mint egy bit, magában foglalja ezt a két alternatívát, azonban (a bittel ellentétben) e két állapot kombinációjában is lehet. Mit is jelent ez? Pontosan mi is a két állapot kombinációja, és milyen fizikai objektumok feleltethetők meg a kvantumbiteknek? Mi a kapcsoló kvantumszámítás-beli analógja? Egy kvantumbit egy elektron spinjével vagy egy foton polarizációjával reprezentálható. Ez, habár igaz, nem tűnik különösebben hasznos információnak, mivel az elektronok spinje és a fotonok polarizációja nem olyan dolgok, amelyekről a legtöbbünk ismeretekkel rendelkezne, nem is beszélve a tapasztalatokról! Most kezdjünk egy alapvető bevezetéssel, amelyben leírjuk a spin és a polarizáció fogalmát. Ehhez bemutatjuk azt az alapkísérletet, amelyet Otto Stern és Walther Gerlach végeztek az ezüstatomok spinjével.
1922-ben a Niels Bohr-féle atommodell írta le az atomok akkortájt elfogadott szerkezetét. Ebben a modellben egy atom egy pozitív magból és a körülötte pályákon keringő negatív elektronokból állt. Ezek a pályák kör alakúak, és a méretük adott nagyságú sugarakra korlátozódik. A legbelső pálya legfeljebb két elektront tartalmazhat. Miután ezt feltöltötték, az elektronok megkezdik a következő szint feltöltését, ahol legfeljebb nyolc elektron helyezkedhet el. Az ezüstatomoknak 47 elektronjuk van. Ezek közül kettő a legbelső pályán, aztán nyolc a következő pályán, majd további tizennyolc elektron a harmadik és a negyedik szinten. Végül egy magányos elektron marad a legkülső pályán. A körpályán mozgó elektronok mágneses mezőket generálnak. A belső pályákon lévő elektronok párba rendeződnek. Minden egyes pár egyik tagja a párjával ellentétes irányba forog, aminek eredményeként az általuk generált mágneses mezők kioltják egymást. A külső pályán lévő, párosítatlan elektron azonban olyan mágneses mezőt generál, amelyet más elektronok nem oltanak ki. Ez azt jelenti, hogy az atomot (mint egészt) egy déli és egy északi pólussal rendelkező kis mágnesnek lehet tekinteni.
Stern és Gerlach egy kísérletet terveztek annak tesztelésére, hogy ezeknek a mágneseknek az észak–déli (North–South) tengelyei bármilyen irányba beállhatnak-e, vagy csak bizonyos irányokra vannak korlátozva. Ezt úgy valósították meg, hogy egy ezüstatomokból álló sugarat átküldtek két mágnes között, amint az az 1.1. ábrán is látható. A mágnesek V-alakú kialakítása miatt a déli mágnes erősebben hat, mint az északi. Ha az ezüstatom olyan mágnes, amelyiknek felül helyezkedik el az északi és alul a déli pólusa, akkor a készülék mindkét mágnese vonzza, de a déli mágnes győz, és a készülék felfelé téríti el a részecskét. Hasonlóképpen, ha az ezüstatom olyan mágnes, amelyiknek felül helyezkedik el a déli és alul az északi pólusa, akkor azt a készülék mindkét mágnese taszítja, de a déli mágnes ismét győz, és a készülék most lefelé téríti el a részecskét. Miután áthaladtak a készüléken, az atomok egy felfogó ernyőre érkeznek. Klasszikus szempontból az atom mágneses pólusai bármilyen irányba beállíthatók. Ha vízszintesen állnak, akkor nincs eltérülés, és általában az eltérülés mértéke annak felel meg, hogy az atom mágneses tengelye milyen mértékben tér el a vízszintestől. A maximális eltérülés abban az esetben következik be, amikor az atom mágneses pólusai függőlegesen állnak.
A szövegrészlet Chris Bernhardt: Kvantum-számítástechnika közérthetően című könyvéből származik.
A könyv megvásárolható a webshopunkban valamint a Bölcs Várban található könyvesboltunkban!
