Что такое суперпозиция?
Прежде чем изучать суперпозицию в контексте кубитов и квантовых состояний, давайте начнем с примера, чтобы понять, как работает суперпозиция.
В этом уроке вы узнаете, как описать квантовое состояние системы, состоящей из кошки и коробки.
Как описать квантовое состояние системы?
Представьте, что у вас есть кошка и ящик, и вы хотите описать возможные конфигурации системы cat-and-box. Например, кот внутри коробки, кот рядом с коробкой и т. д.
Предположим, что существует шесть возможных конфигураций:
- Кот в верхней части коробки
- Кот внутри коробки
- Кот под коробкой
- Кот рядом с коробкой
- Кот перед коробкой
- Кот за коробкой
Другие конфигурации, такие как коробка внутри кошки, физически невозможны, поэтому мы не рассматриваем эти конфигурации.
Эти шесть конфигураций представляют возможные различные состояния, в которых может находиться система "кот и коробка". Но поскольку это квантовая система кота и коробки, мы не можем точно предсказать, какое из шести состояний будет занимать система, когда мы взглянем. Как затем описать состояние этой системы, прежде чем мы рассмотрим его?
Ну, мы описываем систему как суперпозицию всех шести возможных состояний одновременно. В математических терминах состояние суперпозиции является суммой или линейной комбинацией всех шести отдельных состояний. Это немного забавно, но вот как выглядит суперпозиция нашей системы «кот и ящик».
Но подождите - есть больше! Квантовые состояния являются вероятностными, поэтому существует определенная вероятность того, что система кот-и-коробка находится в одном из шести возможных состояний. И давайте будем откровенны, вероятность того, что кошка находится внутри коробки, выше, чем в любом из других пяти состояний. Каждое состояние взвешается по его вероятности возникновения, поэтому наше состояние суперпозиции выглядит следующим образом:
Обратите внимание, что сумма вероятностей составляет 100% для всех шести состояний. Это имеет смысл, потому что мы всегда находим систему в одном из возможных состояний, когда мы наблюдаем систему. В реальной жизни кошки и коробки являются классическими объектами, а не квантовыми объектами, поэтому наш пример немного глупо. Но квантовые объекты, такие как фотоны, электроны, атомы и молекулы, действительно ведут себя в этой вероятностной манере в реальной жизни.
В квантовом мире мы описываем состояние системы как сочетание всех состояний, в которые мы можем найти систему. Это явление называется суперпозицией.
В следующем уроке вы узнаете о суперпозиции в контексте фактической квантовой системы и роли, которую суперпозиция играет в квантовых вычислениях.