Efectul măsurării superpoziției cuantice

Măsurarea unui qubit îi reduce starea de superpoziție într-una din două posibilități. O monedă care se rotește se află într-o stare de superpoziție, dar odată ce aterizează, devine fie cap, fie pajură. Fotonul se află într-o stare de superpoziție după ce trece printr-un divizor de fascicul, dar odată ce ajunge la detectoare, știm sigur dacă a fost reflectat sau transmis. Pentru a aprecia natura cu adevărat stranie a măsurării cuantice, să vedem ce se întâmplă când electronii sunt trimiși prin mai multe dispozitive Stern-Gerlach la rând.

Întrebarea 4 Deschideți simulatorul PhET Stern-Gerlach și trimiteți electroni cu spini orientați aleatoriu printr-un aparat Stern-Gerlach (SGA) vertical, ca în Fig. 4.7. Care este spinul electronilor care trec prin gaură?

(a) +z

(b) z

(c) Superpoziția dintre +z și -z

Fig. 4.7 SGA pe axa z permite trecerea electronilor cu spin up, dar blochează electronii cu spin down.

Întrebarea 5 Adăugați un al doilea SGA, orientat orizontal, ca în Fig. 4.8. Care este spinul electronilor înainte de a intra în al doilea SGA?

(a) +x

(b) -x

(c) Suprapunerea lui +x și -x

Fig. 4.8 SGA pe axe z și x.

Întrebarea 6 Care este spinul electronilor după ce trec prin al doilea SGA?

(a) +x

(b) -x

(c) Suprapunerea lui +x și -x

Întrebarea 7 Care este spinul z al electronului care iese din al doilea SGA? Proiectați un experiment pentru a confirma acest lucru în simulare.

(a) +z

(b) —z

(c) Suprapunerea lui +z și —z

Având în vedere că doar electronii cu spin up au trecut prin primul SGA, ne-am aștepta ca electronul să aibă în continuare spin up după al doilea SGA, indiferent de ce se măsoară în x. Cu toate acestea, dacă măsurați spinul z cu un al treilea SGA, așa cum se arată în Fig. 4.9, are o șansă de 50% să fie în up sau down!

Fig. 4.9 Primul SGA selectează spinul +z, iar al doilea SGA selectează -x. Al treilea SGA arată că, prin măsurarea lui —x în baza z, electronul se află într-o suprapunere a lui +z și —z.

Prin măsurarea electronului, i-am schimbat fundamental starea. Măsurarea spinului x al qubitului îl pune într-o suprapunere de up și down, chiar și atunci când a început ca fiind up. Când măsurați lungimea unui obiect cu o riglă, nu vă așteptați ca lungimea obiectului să se schimbe după ce îl măsurați!

Colapsul măsurătorilor cuantice este utilizat în multe aplicații cuantice, cum ar fi criptografia, unde s-ar putea detecta dacă un mesaj a fost interceptat. Acest lucru va fi discutat mai detaliat în Capitolul 5. Mai mult, această proprietate a stărilor cuantice implică faptul că un qubit într-o stare necunoscută nu poate fi copiat. Acest concept este cunoscut sub numele de teorema non-clonării și are consecințe foarte importante. De exemplu, computerele clasice pot face o copie a unor rânduri de text, iar versiunea originală a textului rămâne aceeași – există acum două copii identice ale aceluiași text. Dar, dacă încercați să copiați un qubit necunoscut, trebuie mai întâi să îl măsurați, ceea ce îl modifică fundamental prin colapsarea stării sale de superpoziție într-o stare de bază. Prin urmare, deoarece computerele cuantice nu pot copia text la fel de ușor ca și computerele clasice, este puțin probabil ca acestea să înlocuiască laptopul dumneavoastră. Cu toate acestea, pentru anumite aplicații, informațiile din stările de superpoziție permit procesarea informațiilor dincolo de ceea ce este posibil într-un computer clasic.

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. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu