双缝

从双缝到量子比特

量子现象表现出“波粒二象性”——也就是说，量子系统在未被观察到的情况下会以波的形式演化（即，波穿过两个狭缝并随后与自身发生干涉）——但是当按照客观（经典）现实进行测量时，波函数就会崩溃，它确实具有客观现实（即，作为一个光子，或者如果你喜欢的话，它是一个穿过两个狭缝之一的小“球”）。因此，我们对量子系统的数学描述应该足以允许这两种可能性——它既应该能够确定（概率）测量结果，又应该完全捕捉随后的波传播（如果没有进行测量）。特别是，根据假设 1，系统完全由其状态向量描述，因此双缝处的量子态必须完全捕捉有关波粒二象性的一切。对于两级量子系统（量子比特），我们可以定性地认识到，计算基向量的复叠加具有所需的成分。计算基向量（| 0 ⟩ 和 | 1 ⟩）表示测量时可能出现的二元状态（即光子通过了哪条狭缝）——其复系数不仅能够计算出每种状态的概率，而且也足以确定后续的波传播（即屏幕右侧）（如果没有进行测量）（这就是它们必须是复数的原因）。这也提供了一种思考计算基的好方法，即在某种意义上用客观现实来表示“经典”事件，而对其的测量只是通过波函数坍缩来获得和确定这种经典现实。也就是说，量子测量只是用电压表、电流表、信号分析仪或其他仪器进行的常规测量。我们引入一般测量假设是为了完整性，但在第二部分 CST 量子计算课程中，我们几乎总是使用具有这种有形物理解释的计算基础测量。