Почему квантовая суперпозиция — это главное понятие квантовой физики, которое придётся осознать?

Квантовая физика традиционно будоражит сознание и подразумевает такие вещи, которые любому человеку в здравом уме покажутся чем-то невероятным. Многие понятия квантовой физики отталкиваются от некоторой базы знаний и среди этих представлений главное — это квантовая суперпозиция. Именно благодаря её существованию возможны шутки типа кота Шрёдингера и появилась возможность работать с кубитами. Но как представить себе квантовую суперпозицию? Она подразумевает, что у объекта есть сразу все состояния, а это невозможно перенести на классическую картину мира.

На помощь могли бы прийти ассоциации или сопоставление явления с чем-то хорошо понятным и отлично знакомым. Вот только и тут не обошлось без сложностей. Давайте разбираться по порядку.

Классическая суперпозиция

В классической механике суперпозиция — это довольно простая и линейная вещь, которую легко проанализировать. Давайте представим простой пример. Вы бросаете камни в воду. Делаете это одновременно, и они начинают провоцировать появление механических волн на глади воды. Вода как механическая среда начинает колебаться, и если эти колебания встречаются друг с другом. Происходит их сложение или интерференция волн. Это взаимодействие может быть как конструктивным, так и деструктивным, а волны могут даже полностью аннигилировать, если встретятся с разными направлениями и одинаковой амплитудой.

Важно тут то, что две механические волны, распространяющиеся в среде, накладываются друг на друга, и мы наблюдаем результат их взаимодействия или суммирования. Это общее правило для большинства случаев. Термин суперпозиция тут может быть применен и, например, к поиску векторной суммы двух сил. Если два человека тянули веревку в разные стороны, то можно найти суперпозицию сил в системе.

Квантовая суперпозиция

Теперь давайте перенесём это понимание на квантовый мир. Уместно ли там такое понимание суперпозиции? Вы уже, наверное, догадываетесь, что нет. Квантовая суперпозиция — это принципиально другое явление.

Чтобы понять, что такое квантовая суперпозиция, давайте приведём простой пример. Представьте, что вы подбрасываете монетку. У неё есть два стабильных положения: орёл или решка. Но пока монетка вращается в воздухе, она находится в непонятном состоянии. Как описать это состояние с точки зрения классической физики? Вероятно, подойдёт что-то вроде логики вероятности, но это будет странно, так как вероятность проявляется только в момент, когда монетка упадёт. Фактически, в воздухе монетка находится в состоянии, когда она одновременно и орёл, и решка. Это и есть квантовая суперпозиция.

Полезно отметить, что ни одно из сравнений, которое мы можем предложить для квантовой суперпозиции, не будет полностью правильным. Мы работаем не с каким-то странным явлением из окружающей реальности, а специфическим понятием, где стандартная логика просто неприменима. Когда-то это очень хорошо описал Шрёдингер, используя мысленный эксперимент с котом. Невозможно предложить такое материальное сравнение, которое позволит объекту находиться сразу во всех состояниях и иметь все свойства.

В квантовой физике суперпозиция описывается волновой функцией, которая является базой для всей квантовой физики. Волновая функция описывает частицу, у которой есть сразу все возможные состояния. Конкретное значение появляется только в момент взаимодействия с наблюдателем. Это явление называется эффектом наблюдателя и именно этот результат мы в итоге наблюдаем в реальности.

Правильнее всего полагать, что квантовая суперпозиция — это математический объект, который действительно проявляет себя в макромире и может наблюдаться, но только после взаимодействия системы с наблюдателем.

Но почему так происходит? На этот вопрос пока нет простого ответа. Вся современная физика, особенно квантовая, построена на математике, и квантовая суперпозиция — это математическое состояние, которое описывается волновой функцией. Эта функция имеет вероятности конкретных решений, и конкретное решение становится тем состоянием, которое мы наблюдаем на практике.