Hvad er superposition?

Før vi udforsker superposition i forbindelse med qubits og kvantetilstande, lad os starte med et eksempel for at hjælpe med at forstå, hvordan superposition fungerer.

I denne enhed lærer du, hvordan du beskriver kvantetilstanden i et system, der består af en kat og en kasse.

Hvordan beskriver man kvantetilstanden i et system?

Forestil dig, at du har en kat og en kasse, og du vil beskrive de mulige konfigurationer af cat-and-box-systemet. For eksempel katten inde i kassen, katten ved siden af kassen og så videre.

Lad os sige, at der er seks mulige konfigurationer:

• Katten på toppen af kassen
• Katten inde i kassen
• Katten under kassen
• Katten ved siden af kassen
• Katten foran kassen
• Katten bag kassen

Andre konfigurationer, som kassen inde i katten, er ikke fysisk mulige, så vi overvejer ikke disse konfigurationer.

Disse seks konfigurationer er de mulige forskellige tilstande, som vi kan finde cat-and-box-systemet til at være i. Men fordi dette er et kvante-cat-and-box-system, kan vi ikke præcist forudsige, hvilken af de seks tilstande, som systemet vil være i, når vi kigger på det. Hvordan beskriver vi så tilstanden af dette system, før vi ser på det?

Tja, vi beskriver systemet som en superposition af alle seks mulige tilstande på samme tid. I matematiske termer er superpositionstilstanden en sum eller lineær kombination af alle seks forskellige tilstande. Det er lidt fjollet, men sådan ser en superposition af vores kat-og-kasse-system ud:

Men vent – der er mere! Kvantetilstande er sandsynlige, så der er en vis sandsynlighed for, at cat-and-box-systemet viser sig at være i hver af de seks mulige tilstande. Og lad os være ærlige, der er større sandsynlighed for, at katten findes inde i kassen end nogen af de andre fem stater. Hver tilstand er vægtet efter dens sandsynlighed for at opstå, så vores superpositionstilstand ser sådan ud:

Bemærk, at sandsynligheden tilsammen er 100% for alle seks stater. Dette giver mening, fordi vi altid synes, at systemet er i en af de mulige tilstande, når vi observerer systemet. I det virkelige liv er katte og kasser klassiske objekter, ikke kvanteobjekter, så vores eksempel er lidt fjollet. Men kvanteobjekter, såsom fotoner, elektroner, atomer og molekyler, opfører sig virkelig på denne sandsynlighedsbaserede måde i det virkelige liv.

I kvanteverdenen beskriver vi tilstanden af et system som en kombination af alle de tilstande, som vi kan finde systemet at være i. Dette er det fænomen, der kaldes superposition.

I den næste enhed lærer du om superposition i forbindelse med et faktisk kvantesystem, og den rolle, som superposition spiller i kvantecomputere.