O que é superposição?

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Antes de explorarmos a superposição no contexto de qubits e estados quânticos, vamos começar com um exemplo para ajudar a entender como funciona a superposição.

Nesta unidade, você aprenderá a descrever o estado quântico de um sistema que consiste em um gato e uma caixa.

Como você descreve o estado quântico de um sistema?

Imagine que você tenha um gato e uma caixa e descreva as possíveis configurações do sistema cat-and-box. Por exemplo, o gato dentro da caixa, o gato ao lado da caixa e assim por diante.

Digamos que haja seis configurações possíveis:

  • O gato na parte superior da caixa
  • O gato dentro da caixa
  • O gato sob a caixa
  • O gato ao lado da caixa
  • O gato na frente da caixa
  • O gato atrás da caixa

Outras configurações, como a caixa dentro do gato, não são fisicamente possíveis, portanto, não consideramos essas configurações.

Essas seis configurações são os possíveis estados distintos em que podemos observar o sistema gato-e-caixa. Mas como este é um sistema quântico de gato e caixa, não podemos prever com precisão em quais dos seis estados em que o sistema estará quando examinarmos. Como descrever o estado desse sistema antes de dar uma olhada nele?

Bem, descrevemos o sistema como uma superposição de todos os seis estados possíveis ao mesmo tempo. Em termos matemáticos, o estado de superposição é uma soma, ou combinação linear, de todos os seis estados distintos. É um pouco bobo, mas veja como é a superposição do nosso sistema de gato e caixa:

Diagrama de um gato e uma caixa e a representação de seis posições diferentes do gato em relação à caixa.

Mas espere , há mais! Os estados quânticos são probabilísticos, portanto, há uma certa probabilidade de que o sistema de gato e caixa esteja em cada um dos seis estados possíveis. E sejamos honestos, há uma probabilidade maior de que o gato esteja dentro da caixa do que qualquer um dos outros cinco estados. Cada estado é ponderado pela probabilidade de ocorrer, portanto, nosso estado de superposição tem esta aparência:

Diagrama de um estado de superposição do sistema, que é a soma das seis posições diferentes do gato em relação à caixa, ponderada pela probabilidade de localizar o gato em cada posição.

Observe que as probabilidades somam 100% para todos os seis estados. Isso faz sentido porque sempre achamos que o sistema está em um dos estados possíveis quando observamos o sistema. Na vida real, gatos e caixas são objetos clássicos, não objetos quânticos, então nosso exemplo é um pouco bobo. Mas objetos quânticos, como fótons, elétrons, átomos e moléculas, realmente se comportam dessa maneira probabilística na vida real.

No mundo quântico, descrevemos o estado de um sistema como uma combinação de todos os estados em que podemos encontrar o sistema. Esse é o fenômeno chamado superposição.

Na próxima unidade, você aprenderá sobre a superposição no contexto de um sistema quântico real e a função que a superposição desempenha na computação quântica.