Co je superpozice?
Než prozkoumáme superpozici v kontextu qubitů a kvantových stavů, začněme příkladem, abychom pochopili, jak superpozice funguje.
V této lekci se dozvíte, jak popsat kvantový stav systému, který se skládá z kočky a krabice.
Jak popisujete kvantový stav systému?
Představte si, že máte kočku a krabici a chcete popsat možné konfigurace systému cat-and-box. Například kočka uvnitř rámečku, kočka vedle krabice atd.
Řekněme, že existuje šest možných konfigurací:
- Kočka nad krabicí
- Kočka uvnitř krabice
- Kočka pod rámečkem
- Kočka vedle krabice
- Kočka před krabicí
- Kočka za krabicí
Jiné konfigurace, jako je krabice uvnitř kočky, nejsou fyzicky možné, takže tyto konfigurace nebereme v úvahu.
Těchto šest konfigurací je možných odlišných stavů, ve kterých můžeme najít systém kočky a krabice. Vzhledem k tomu, že se jedná o kvantový systém cat-and-box, nemůžeme přesně předpovědět, ve kterém ze šesti stavů bude systém, když se podíváme. Jak pak popíšeme stav tohoto systému, než se na něj podíváme?
No, systém popisujeme jako superpozici všech šesti možných stavů současně. V matematických pojmech je stav superpozice součtem nebo lineární kombinací všech šesti odlišných stavů. Je to trochu hloupé, ale takto vypadá superpozice našeho systému kočka-a-krabice:
Ale počkejte – je tu ještě víc! Kvantové stavy jsou pravděpodobnostní, takže existuje určitá pravděpodobnost, že systém cat-and-box je nalezen v každém ze šesti možných stavů. A pojďme být upřímní, existuje větší pravděpodobnost, že kočka je nalezena uvnitř krabice než kterýkoli z ostatních pěti států. Každý stav je vážený pravděpodobností výskytu, takže náš stav superpozice vypadá takto:
Všimněte si, že pravděpodobnosti se sčítají na 100% pro všech šest stavů. To dává smysl, protože systém vždy najdeme v jednom z možných stavů, když systém sledujeme. V reálném životě jsou kočky a krabice klasické objekty, ne kvantové objekty, takže náš příklad je trochu hloupý. Kvantové objekty, jako jsou fotony, elektrony, atomy a molekuly, se ale skutečně chovají v reálném životě tímto pravděpodobnostickým způsobem.
Ve kvantovém světě popisujeme stav systému jako kombinaci všech stavů, ve které můžeme systém najít. To je jev, kterému se říká superpozice.
V další lekci se dozvíte o superpozici v kontextu skutečného kvantového systému a o roli, kterou superpozice hraje v kvantovém computingu.