量子叠加是一种现象，在这种现象中，一个微小的粒子可以同时处于两种状态 —— 但前提是它没有被直接观察到。

4月14日是2025年世界量子日，这是一个国际庆祝活动，旨在促进公众对量子科学的理解。

之所以选择4月14日，是因为4.14代表普朗克常数的前三位数字（4.135667696 x 10-15电子伏特每赫兹，四舍五入为4.14 x 10-15），这是量子物理学中的一个重要数字。

量子物理学是研究宇宙中最小粒子的科学分支，如原子、电子、光子（光粒子）和其他亚原子粒子，如夸克。

在日常世界中，在我们可以看到的范围内，事物往往遵循经典物理定律。然而，当你放大到最小的粒子时，经典物理学也停止了工作，量子力学的规则开始发挥作用。

量子物理学的一些关键概念是，像电子这样的粒子可以表现为波，反之亦然（称为波粒二象性）；两个粒子可以以这样一种方式连接起来：如果你测量一个粒子，你就会立即知道另一个粒子的一些情况（量子纠缠）；一个量子粒子可以同时处于多种状态，直到它被观察到（量子叠加）。

什么是量子叠加？

在日常生活中，某样东西一次只能处于一种状态：灯的开关不是开就是关，猫不是死就是活。在量子世界中，事情的运作方式并不完全相同。量子叠加描述了一个量子粒子，比如一个电子、一个光子，甚至一个原子，如何同时以多种不同的状态存在 —— 直到它被测量出来。在它被观察到之前，它不是处于状态的中间，而是两者的“叠加”。

在量子物理学中，粒子的状态是由波动方程描述的，波动方程告诉我们粒子可能在哪里的概率或它的性质可能是什么。这种概率波可以存在于多种状态的混合状态中。

薛定谔的猫是什么？

薛定谔（Schrödinger）的猫是一个著名的思想实验，它说明了叠加是如何工作的。想象一下，盒子里的猫有一种机制，它有50%的机会杀死它，这取决于量子粒子是否会自发地衰变成另一种类型的原子，并释放出像电子这样的放射性粒子。

在有人打开盒子观察它之前，这只猫被认为是活猫和死猫的叠加态。当你测量或观察这个系统时 —— 或者以薛定谔的猫在盒子里看的例子为例 —— 叠加进入一个确定的状态，猫的命运就被发现了。

量子叠加已经被科学家在多个场合实验观察到。一个著名的例子是双缝实验，光子被发射到一个有两条缝的屏障上，屏障后面有一个屏幕，记录着粒子降落的位置。如果你让粒子通过一个狭缝，你会在屏幕上得到一个单一的波段，但如果你打开两个狭缝，你会在屏幕上得到一个波状的干涉图案，在屏幕上有多个波段，这也证明了粒子和波可以彼此相似。每次发射一个粒子，你会期望每个粒子通过一个或另一个狭缝。然而，干涉图案仍然会形成，就好像每个单个粒子都在干扰自己。这意味着每个粒子以某种方式同时穿过两个狭缝，因此处于两种可能性的叠加状态

如果你试图测量粒子穿过哪个狭缝，叠加态就会崩溃：粒子看起来确实穿过了一个狭缝，干涉图案消失了，屏幕上只留下两个条带。

此外，离子和大分子已经在实验中被困在叠加状态，植物叶片中的叶绿素已经被发现利用量子叠加来更有效地收集来自太阳的光。

为什么叠加在量子计算中如此重要？

量子叠加也被用作量子计算的工具，也是量子计算机如此强大的主要原因。

经典二进制位一次只能处于一种状态：0或1。这些比特被编码在晶体管上，晶体管通常由硅、锗或其他半导体制成。有了三个比特，它们可以有8种不同的状态：000、001、010、011、100、101、110和111。为了处理所有的可能性，传统的计算机必须一次检查一个。

在量子计算机中，电子或光子等粒子充当量子比特（量子位），它可以处于0和1的叠加状态。三个量子比特可以同时处于所有8种可能状态的叠加状态，这意味着量子计算机可以同时处理大量的计算。有了三个量子比特，量子计算机就可以同时处理上面列出的所有八种状态。

这种比传统计算机更强大的处理能力可能意味着，量子计算机有朝一日可以用于制药、气候建模和制造业的复杂模拟。理论上，一台足够强大的量子计算机可以在几秒钟内完成最强大的超级计算机需要数百万年才能完成的计算。

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