¿Por qué una superposición no es simplemente incertidumbre clásica?

He leído un poco sobre computación cuántica.

Por lo que entiendo, la superposición cuántica es cuando un qubit está en un estado α | 0 ⟩ + β | 1 ⟩ , dónde α y β son amplitudes de probabilidad. Ahora, cuando tratamos de medir o ver el qubit, colapsa a 0 o 1.

¿Por qué no consideramos que el electrón está en el estado 0 o 1 en superposición pero no sabemos en qué estado porque aún no lo hemos medido?

Te daré un ejemplo. Le pido a un amigo que entre en una habitación cerrada y lance una moneda. Ahora sé que es cara o cruz con la misma probabilidad. Entonces, ¿puedo decir que la moneda está en estado de superposición? 0 .5 | h mi a d s ⟩ + 0 .5 | t a i yo s ⟩ ?

Luego le pido a mi amigo que dope la moneda para que tenga una mayor probabilidad (0.75) de caer cara arriba. Entonces, ¿puedo decir que la moneda está en una superposición? 0 .75 | h mi a d s ⟩ + 0 .25 | t a i yo s ⟩ ?

Luego entro en la habitación y de repente veo la moneda. Entonces, ¿puedo decir que su estado colapsó a cara o cruz porque lo medí?

Respuestas (1)

Supongamos que tengo un electrón. Hay varios estados en los que podría estar. Los estados en los que tenemos un componente de espín definido son

| z tu PAG ⟩ componente z de su espín apunta hacia arriba

| z D O W norte ⟩ componente z de su espín apunta hacia abajo

| X R I GRAMO H T ⟩ componente x de su espín apunta hacia la derecha

| X L mi F T ⟩ componente x de su espín apunta hacia la izquierda

(ignoraremos la dirección y). Ahora, un aparato de Stern Gerlach nos brinda un medio para medir estos componentes de espín: si orientamos el aparato en el plano z, sus potentes imanes separan los electrones entrantes de modo que los que se miden como z-espín hacia arriba van hacia arriba y los que son z- spin-down ir hacia abajo.

Ahora supongamos que tengo un haz entrante de electrones, donde los he preparado para que el 50% de ellos sean z-spin-up y el 50% sean z-spin-down. (Podría hacer esto usando un aparato Stern Gerlach anterior, midiendo los giros z y luego recombinando el haz). Esto es una mezcla , no una superposición. Si ahora hago mi medición z, encuentro 50% en z-spin-up y 50% en z-spin-down como esperaba.

Si, en lugar de la mezcla, mis electrones están en un verdadero estado de superposición, digamos

1 2 ( | z tu PAG ⟩ + | z D O W norte ⟩ )
Luego, cuando realizo mi medición, nuevamente mido el 50% como z-spin-up y el 50% como z-spin-down. Estos, sin embargo, no son lo mismo :

Supongamos que reoriento mi aparato Stern Gerlach para medir esta vez el espín x. Para ver que va a pasar necesitas las relaciones

| z tu PAG ⟩ = 1 2 ( | X R I GRAMO H T ⟩ + | X L mi F T ⟩ )
| z D O W norte ⟩ = 1 2 ( | X R I GRAMO H T ⟩ − | X L mi F T ⟩ )
Para el caso en que las partículas entrantes estén en la mezcla z, obtendré un 50 % de giro x a la derecha y un 50 % de giro x a la izquierda.

Sin embargo, para el caso de superposición

1 2 ( | z tu PAG ⟩ + | z D O W norte ⟩ )
= 1 2 { 1 2 ( | X R I GRAMO H T ⟩ + | X L mi F T ⟩ ) + 1 2 ( | X R I GRAMO H T ⟩ − | X L mi F T ⟩ ) }
= | X R I GRAMO H T ⟩

Entonces obtendré 100% x-spin-right.

En el ejemplo de la moneda, tenemos una mezcla, no una superposición. La razón por la que los objetos macroscópicos se comportan como mezclas en lugar de superposiciones generalmente se explica por el fenómeno de la decoherencia .

¿Podemos considerar la superposición como una moneda que gira rápidamente en un entorno sin fricción, cuyo estado final dependerá de cómo la atrapemos? Tenga en cuenta que en este caso la moneda se limita a dos valores distintos, es decir, digital. ¿O es algo así como dos imágenes que se transforman gradualmente entre sí, con infinitas imágenes en el medio, es decir, analógicas, pero nuestra observación/medición las obliga a descansar en una sola imagen/estado final estable?
¿Por qué una superposición no es simplemente incertidumbre clásica?
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