量子疊加

量子物理學

La 量子疊加 這是一個越來越多地被聽到的概念。 這種自然屬性正在被用於量子計算機、量子隱形傳態和量子互聯網的種子中。 然而,有很多人不太了解量子疊加,這對他們來說聽起來很中國。

在這篇文章中,我們將告訴您什麼是量子疊加、它的特徵和重要性。

什麼是量子疊加

量子蒸餾

量子疊加是量子力學的基本原理 它表達了物理系統(例如電子)在其所有可能的理論狀態下同時存在。 當觀察時,它只能“塌陷”成這些配置之一。 這種“凍結”是隨機的,但基於概率定律。

理解量子疊加的一種方法(至少以簡化的方式)是認為一個粒子可以同時處於兩種激發態,但一旦觀察到它只能揭示其中一種。 因此,疊加在量子計算中得到了廣泛的應用。 一個“量子位”或量子位可以同時取值0和1; 與位不同,位必須是 0 或 1。

這種量子疊加態是法國公爵路易斯·德布羅意的理論提議的結果,他於 1924 年提出電子不是粒子而是波。 也就是說,電子不是具有經典相互作用(例如台球之間的碰撞)的物質“球”,而是穿過空間的波。 這是真的。

電子的量子疊加

量子疊加

如果我們將電子想像成“球”,那麼一個加另一個的總和會讓我們對物質的行為產生錯誤的想法,因為我們想像它們像球一樣堆疊起來。 有的在上面,有的在下面,有的在側面。 然而,物質在量子層面上並不是這樣運作的,只有在宏觀層面上才如此。 那是我們的。

量子疊加現象更容易理解,因為 物質行為像波的觀點。 與物質不同,波可以重疊。 在量子層面,物質的行為就像波一樣,並且發生了一些有趣的事情:物質可以相互“相加”。

在自然界中可以觀察到一個有趣的類比。 下圖顯示了水滴在水面上留下的波紋。 它是沿表面傳播的圓形波。 任何曾經向湖中扔過一塊石頭的人都會知道這一點。 原則上,每個波都是獨立的。

然而,只要兩個波重合,就會發生波疊加。 也就是說,添加或減去它們的大小。 當兩條山脊相遇時,水位會漲得很高。 有兩個山谷的地方,我們就會看到窪地。 如果波峰與波谷重合,則波的總和將導致抵消。

波與量子疊加

原子的量子疊加

如果電子是在空間中移動的波,那麼它們的波可以做類似於水中出現的事情。 這種現像要複雜得多,但這裡有一種簡化它的方法。 但許多人擔心的問題是:電子在哪裡?

根據量子力學定律, 量子疊加可以發生直到粒子被觀察到。 然後,波函數(描述粒子具有一種或另一種狀態的概率,這就是我們表示粒子系統的方式)崩潰或被定義為更具體的波函數。

雖然不完全正確,但可以使用以下類比。 氦氣球漂浮在黑暗的房間裡。 第一的, 不可能確切知道氣球在哪裡,因為有非常複雜的氣流將氣球從一側移動到另一側。 可以確定氣球位於一處或另一處的概率。 這就是它的波函數。

你怎麼知道它現在在哪裡? 如何讓波函數“塌陷”? 可以做的一個實驗是扔飛鏢。 如果飛鏢飛到了氣球沒有飛到的地方,我們就听不到任何聲音。 然而,如果飛鏢穿過氣球,我們就會聽到爆炸聲。 結論是: 無論飛鏢是否擊中氣球,氣球都會確定其位置。 也就是說,它會在物理意義上“崩潰”並揭示它在哪裡。

雖然不是一個完美的類比,但氣球的例子有助於理解電子如何同時分佈在空間的某個區域,以及如何只有當你看到它時你才能知道它是什麼。

今日實用

如果這個特性如此有趣,那是因為它可以用來構建量子計算機。 2016年,一組研究人員利用物質的量子特性(包括疊加態)來實現信息的長距離傳輸。

恩2017, 另一個團隊成功地在兩個連接的節點之間傳送了量子態。 2022 年,由於 Alice、Bob 和 Charlie 的節點一一連接,一組研究人員成功地在兩個斷開連接的節點之間傳送量子態。 通過這些實驗,有可能建立一個更可靠的互聯網

目前,科學家們正在探索如何利用這一特性來解決傳統計算機很難甚至不可能解決的問題。 在量子計算機中,經典位(0 或 1)被量子位取代,量子位 它們可以重疊,這意味著它們可以同時代表 0 和 1。 這使得量子計算機能夠同時探索多種解決方案,從而為解決密碼學、材料模擬和優化等領域的複雜問題帶來巨大潛力。

另一個有趣的應用是安全量子通信。 由於量子疊加的特性,任何干擾傳輸信息的嘗試都會立即被檢測到,這可能導致通信系統幾乎無法穿透並確保信息的隱私。

我希望通過這些信息您可以更多地了解量子疊加、其特性和用途。


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