Superpoziția cuantică

Superpoziția cuantică este un fenomen asociat sistemelor cuantice. Sistemele cuantice includ obiecte mici, cum ar fi nuclee, electroni, particule elementare și fotoni, pentru care se observă dualitatea undă-particulă și alte efecte non-clasice. De exemplu, în mod normal, v-ați aștepta ca un obiect să poată avea o cantitate arbitrară de energie cinetică cuprinsă între 0 și infinit (∞) Jouli, adică o minge de baseball ar putea fi în repaus sau aruncată cu orice viteză. Cu toate acestea, conform mecanicii cuantice, energia mingii este cuantificată, ceea ce înseamnă că poate avea doar anumite valori.

Fig. 1.3 Efectele cuantice asociate cu cuantizarea energiei sunt importante la distanțele atomice și subatomice. În această figură, liniile gri reprezintă energiile permise. În sistemele cuantice, energiile sunt cuantificate. Pe măsură ce ne îndepărtăm de sistemul cuantic pentru a-l vedea printr-o lentilă clasică (reprezentată de săgeata în jos), energiile devin mai dense și par continue. Acesta este motivul pentru care cuantizarea nu este sesizabilă în obiectele de zi cu zi.

Fig. 1.4 O monedă aruncată are o șansă de 50% să cadă fie pe cap, fie pe pajură.

Un exemplu specific de cuantizare a energiei este atunci când energiile pot avea doar valori întregi E = 0, 1, 2, 3,…, dar nu și numere intermediare. Acest lucru este contraintuitiv, deoarece nu îl putem observa cu ochii noștri clasici. Diferențele de energie sunt prea mici pentru a fi văzute cu ochiul uman și, ca atare, pot fi tratate ca fiind continue pentru fizica clasică. Cu toate acestea, diferențele sunt mai pronunțate la dimensiuni mai mici, așa cum se arată în Fig. 1.3. De exemplu, atomul de hidrogen este suficient de mic încât efectele cuantice sunt importante, iar Bohr a trebuit să cuantizeze nivelurile de energie pentru a modela cu succes comportamentul său.

Un aspect al suprapunerii cuantice poate fi explicat folosind o analogie cu o monedă. O monedă are o probabilitate de 50/50 să cadă fie pe cap, fie pe pajură, așa cum se arată în Fig. 1.4.

Întrebarea 1 În ce stare se află moneda în timp ce este în aer? Este cap sau pajură?

Putem spune că moneda se află într-o suprapunere atât a capului, cât și a pajurii. Când cade, are o stare definită, fie cap, fie pajură. În general, cuvântul „stare” înseamnă orice mod particular în care poate fi descris un sistem. De exemplu, moneda poate fi fie cap, fie pajură, sau o combinație de cap sau pajură în timp ce este aruncată în aer. Toate aceste cazuri se numesc stări ale sistemului monedă. În timp ce moneda este aruncată, aceasta se află într-o stare de suprapunere. Când observăm moneda, facem o măsurătoare care distruge suprapunerea.

În orice moment dat, un sistem poate fi descris ca fiind într-o stare particulară. Starea este legată de valorile sale cuantizate. De exemplu, o monedă aruncată se află fie într-o stare cap, fie într-o stare pajură. Un electron care orbitează un atom de hidrogen ar putea fi în starea fundamentală sau într-o stare excitată. Un sistem cuantic este special deoarece poate fi într-o suprapunere a acestor stări definite, adică, simultan atât cap, cât și pajură. Rezultatul unei măsurători este observarea unei stări definite cu o probabilitate dată.

În celebrul experiment mental al lui Schrödinger, pisica lui Schrödinger este plasată într-o cutie închisă cu un singur atom care are o anumită probabilitate de a emite radiații mortale în orice moment. Deoarece dezintegrarea nucleară radioactivă este un proces spontan, este imposibil de prezis cu certitudine când se dezintegrează nucleul. Prin urmare, nu știi dacă pisica este vie sau moartă decât dacă deschizi și te uiți în cutie.

Se poate spune că pisica este atât vie, cât ȘI moartă, cu o probabilitate diferită de zero. Adică, pisica se află într-o stare de superpoziție cuantică până când deschizi cutia și îi măsori starea. La măsurare, pisica este evident fie vie, fie moartă, iar superpoziția a colapsat într-o stare definită, non-superpoziție.

Sistemele cuantice pot exista într-o stare de superpoziție, iar măsurarea sistemului va colapsa starea de superpoziție într-o singură stare clasică definită. Acest lucru ar putea fi greu de înțeles din punct de vedere clasic, deoarece de obicei nu vedem superpoziția cuantică cu ochii noștri umani (adică în obiecte macroscopice). Einstein a fost cu adevărat deranjat de această caracteristică a sistemelor cuantice. Prietenul său, Abraham Pais, consemnează: „Îmi amintesc că, în timpul unei plimbări, Einstein s-a oprit brusc, s-a întors spre mine și m-a întrebat dacă chiar cred că luna există doar atunci când o privesc.”[2]

De reținut

1. O particulă într-o superpoziție cuantică există ca o combinație de stări diferite în același timp.
2. Fiecare stare posibilă are o probabilitate dată de a fi observată, dar măsurarea distruge superpoziția, deoarece se observă o singură stare definită.

Note

[2] 3Nielsen, M. A. 1., & Chuang, I. L. (2000). Quantum computation and quantum information. New York: Cambridge University Press, p. 212.

Sursa: Ciaran Hughes, Joshua Isaacson, Anastasia Perry, Ranbel F. Sun, Jessica Turner (2021) Quantum Computing for the Quantum Curious, Springer Cham, https://doi.org/10.1007/978-3-030-61601-4, licența CC BY 4.0