Hva er superposisjon?
Før vi utforsker superposisjon i sammenheng med kvantebiter og kvantetilstander, la oss starte med et eksempel for å forstå hvordan superposisjon fungerer.
I denne enheten lærer du hvordan du beskriver kvantetilstanden til et system som består av en katt og en boks.
Hvordan beskriver du kvantetilstanden til et system?
Tenk deg at du har en katt og en boks, og du vil beskrive de mulige konfigurasjonene av katt-og-boks-systemet. For eksempel katten inne i boksen, katten ved siden av boksen, og så videre.
La oss si at det er seks mulige konfigurasjoner:
- Katten på toppen av boksen
- Katten inne i boksen
- Katten under boksen
- Katten ved siden av boksen
- Katten foran boksen
- Katten bak boksen
Andre konfigurasjoner, som boksen inne i katten, er ikke fysisk mulige, så vi vurderer ikke disse konfigurasjonene.
Disse seks konfigurasjonene er de mulige distinkte tilstandene som vi kan finne katt-og-boks-systemet å være i. Men fordi dette er et kvante-katt-og-boks-system, kan vi ikke nøyaktig forutsi hvilken av de seks tilstandene systemet vil være i når vi tar en titt. Hvordan beskriver vi da tilstanden til dette systemet før vi tar en titt på det?
Vel, vi beskriver systemet som en superposisjon av alle seks mulige tilstander samtidig. I matematiske termer er superposisjonstilstanden en sum, eller lineær kombinasjon, av alle seks distinkte tilstander. Det er litt dumt, men her er hvordan en superposisjon av katt-og-boks-systemet vårt ser ut:
Men vent – det er mer! Kvantetilstander er sannsynlige, så det er en viss sannsynlighet for at katt-og-boks-systemet viser seg å være i hver av de seks mulige tilstandene. Og la oss være ærlige, det er større sannsynlighet for at katten blir funnet å være inne i boksen enn noen av de andre fem statene. Hver tilstand er vektet etter sannsynligheten for å oppstå, så superposisjonstilstanden vår ser slik ut:
Legg merke til at sannsynlighetene utgjør 100% for alle seks delstatene. Dette er fornuftig fordi vi alltid finner at systemet er i en av de mulige tilstandene når vi observerer systemet. I det virkelige liv er katter og bokser klassiske objekter, ikke kvanteobjekter, så eksemplet vårt er litt dumt. Men kvanteobjekter, som fotoner, elektroner, atomer og molekyler, oppfører seg virkelig på denne sannsynlige måten i det virkelige liv.
I kvanteverdenen beskriver vi tilstanden til et system som en kombinasjon av alle tilstandene vi kan finne systemet å være i. Dette er fenomenet som kalles superposisjon.
I neste enhet lærer du om superposisjon i sammenheng med et faktisk kvantesystem, og rollen som superposisjon spiller i kvanteberegning.