量子叠加是一种微小粒子可以同时处于两种状态的现象——但前提是它没有被直接观察到。
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4 月 14 日是 2025 年世界量子日，这是一项旨在促进公众对量子科学的理解的国际庆祝活动。
选择 4/14 日期是因为 4.14 代表普朗克常数的前三位数字 （4.135667696 x 10-15电子伏特/赫兹，四舍五入为 4.14 x 10-15） — 量子物理学中的一个重要数字。
量子物理学是处理宇宙中最小粒子的科学分支，例如原子、电子、光子（光粒子）和其他亚原子粒子（如夸克）。
在日常生活中，在我们可以看到的尺度上，事物往往遵循经典物理学的定律。然而，当你一直放大到最小的粒子时，经典物理学也停止工作，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）;两个粒子可以以这种方式连接起来，如果你测量一个粒子，你会立即了解另一个粒子（量子纠缠）;量子粒子可以同时处于多种状态，直到被观察到（量子叠加）。
什么是量子叠加？在日常生活中，某物一次只能处于一种状态：电灯开关要么打开要么关闭，一只猫要么死了，要么活着。在量子世界中，事情的运作方式并不完全相同。量子叠加描述了量子粒子（如电子、光子甚至原子）如何同时以多种不同的状态存在——直到它被测量。在它被观察到之前，它不是状态之间的中间位置，而是两者同时的 “叠加”。
在量子物理学中，粒子的状态由波动方程描述，它告诉我们粒子可能在哪里或其属性可能是什么的概率。此概率波可以存在于多个状态的混合中。
什么是薛定谔的猫？薛定谔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，一只猫在一个盒子里，它的机制有 50/50 的几率杀死它，这取决于量子粒子是否发生放射性衰变，自发地变成不同类型的原子并释放出电子等放射性粒子。
在有人打开盒子并观察它之前，这只猫被认为是处于活着和死着的叠加状态。当你测量或观察系统时——或者像薛定谔的猫一样观察盒子内部——叠加会进入一个确定的状态，猫的命运就会被发现。
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科学家们已经多次通过实验观察到量子叠加。一个著名的例子是双缝实验，其中光子被发射到具有两个狭缝的屏障上，后面是一个记录粒子落点的屏幕。如果通过一个狭缝发送粒子，屏幕上会出现一个波段，但如果同时打开两个狭缝，则会在屏幕上得到一个具有多个波段的波状干涉图案，这也证明了粒子和波可以彼此相似地发挥作用。一次发送一个粒子，您会期望每个粒子都通过一个或另一个狭缝。然而，干涉图案仍然会积聚，就好像每个粒子都在干扰自身一样。这意味着每个粒子都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
如果尝试测量粒子穿过哪个狭缝，叠加会崩溃：粒子似乎确实穿过了一个狭缝，干涉图案消失了，屏幕上只留下两个波段。
此外，离子和较大的分子已被实验捕获在叠加状态，并且已经发现植物叶子中的叶绿素利用量子叠加来更有效地从太阳中收集光。
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中的一种工具，这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。这些位编码在晶体管上，通常由硅、锗或其他半导体制成。如果存在三个位，它们可能具有 8 种不同的状态：000、001、010、011、100、101、110 和 111。为了处理所有可能性，经典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（量子比特），它可以处于 0 和 1 的叠加状态。三个量子比特可以同时叠加所有 8 种可能的状态，这意味着量子计算机可以同时处理更多的计算。如果存在三个量子比特，量子计算机可以同时处理上面列出的所有八种状态。
与传统计算机相比，这种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执行制药、气候建模和制造领域的复杂模拟。从理论上讲，足够强大的量子计算机可以在几秒钟内完成计算，而最强大的超级计算机则需要数百万年才能完成。