Was ist Superposition?

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Bevor wir die Superposition im Kontext von Qubits und Quantenzuständen untersuchen, beginnen wir mit einem Beispiel, um zu verstehen, wie Superposition funktioniert.

In dieser Einheit erfahren Sie, wie Sie den Quantenzustand eines Systems beschreiben, das aus einer Katze und einer Box besteht.

Wie beschreiben Sie den Quantenzustand eines Systems?

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Katze und eine Box, und Sie möchten die möglichen Konfigurationen des Cat-and-Box-Systems beschreiben. Beispielsweise die Katze innerhalb der Box, die Katze neben der Box usw.

Angenommen, es gibt sechs mögliche Konfigurationen:

  • Die Katze oben in der Box
  • Die Katze in der Box
  • Die Katze unter der Box
  • Die Katze neben der Kiste
  • Die Katze vor der Box
  • Die Katze hinter der Box

Andere Konfigurationen, z. B. die Box innerhalb der Katze, sind nicht physisch möglich, daher berücksichtigen wir diese Konfigurationen nicht.

Diese sechs Konfigurationen sind die möglichen unterschiedlichen Zustände, in denen wir das Katze-und-Kiste-Systems vorfinden können. Aber da es sich um ein Quantenkatze-und-Box-System handelt, können wir nicht genau vorhersagen, welche der sechs Zustände, in denen sich das System befinden wird, wenn wir einen Blick werfen. Wie beschreiben wir dann den Zustand dieses Systems, bevor wir ihn betrachten?

Nun, wir beschreiben das System als Überlagerung aller sechs möglichen Zustände gleichzeitig. In mathematischen Ausdrücken ist der Überlagerungszustand eine Summe oder lineare Kombination aller sechs unterschiedlichen Zustände. Es ist ein bisschen albern, aber hier sehen Sie, wie eine Superposition unseres Katze-und-Kiste-Systems aussieht.

Diagramm einer Katze und einer Box und der Darstellung von sechs verschiedenen Positionen der Katze in Bezug auf die Box.

Aber warten – es gibt mehr! Quantenzustände sind probabilistisch, daher gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass das Katzen-und-Box-System in jedem der sechs möglichen Zustände zu finden ist. Und ehrlich gesagt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Katze in der Kiste gefunden wird und nicht in einem der anderen fünf Zustände am größten. Jeder Zustand wird durch seine Wahrscheinlichkeit des Auftretens gewichtet, sodass unser Superpositionszustand wie folgt aussieht:

Diagramm eines Überlagerungszustands des Systems, bei dem es sich um die Summe der sechs verschiedenen Positionen der Katze im Hinblick auf das Feld handelt, gewichtet durch die Wahrscheinlichkeit, die Katze an jeder Position zu finden.

Beachten Sie, dass die Wahrscheinlichkeit für alle sechs Zustände auf 100% summiert wird. Dies ist sinnvoll, da wir das System immer in einem der möglichen Zustände finden, wenn wir das System beobachten. Im realen Leben sind Katzen und Kästchen klassische Objekte, nicht Quantenobjekte, daher ist unser Beispiel ein bisschen dumm. Aber Quantenobjekte wie Photonen, Elektronen, Atome und Moleküle verhalten sich wirklich in dieser probabilistischen Weise im realen Leben.

In der Quantenwelt beschreiben wir den Zustand eines Systems als Eine Kombination aller Zustände, in denen wir das System finden können. Dies ist das Phänomen, das als Superposition bezeichnet wird.

In der nächsten Einheit erfahren Sie mehr über die Überlagerung im Kontext eines tatsächlichen Quantensystems und die Rolle, die die Superposition im Quanten computing spielt.