¿Qué experimento muestra que las partículas cuánticas pueden estar en muchos estados al mismo tiempo? ¿Por qué es necesaria la propiedad de muchos estados?

Hay un experimento simple que puedes realizar en cualquier lugar. Implica luz polarizada. Solo necesita gafas de sol polarizadas (o gafas 3D para películas) y un teléfono inteligente o una pantalla LCD. Cualquiera de estos tiene un filtro polarizador, que solo permite que pase la luz polarizada en una determinada dirección.

(fuente: gafas 3D polarizadas lineales y la forma física de las ondas de luz)

Así que mira a través de tus gafas de sol en la pantalla. Inclina tu cabeza lentamente. En algún momento la imagen será negra. Esto se debe a que la luz está polarizada por el filtro de la pantalla en una dirección y por las gafas de sol en una dirección perpendicular, por lo que ambos componentes se filtran y no queda nada.

Cuando puedes ver algo de luz, aunque no toda, es porque algunos fotones pasan a través de ambos polarizadores. A través de un polarizador vertical solo pueden pasar fotones con polarización vertical. Después de eso, no pueden pasar a través de un polarizador horizontal. Pero a través de un polarizador orientado diagonalmente a 45 ° , la mitad de ellos pasará. Debido a que un fotón polarizado verticalmente es una superpozición de dos fotones, uno polarizado a lo largo de una diagonal y otro a lo largo de la otra diagonal.

Clásicamente, uno puede pensar que solo la mitad de la ola pasa. Pero desde el punto de vista cuántico, los fotones que pasan, pasan completamente, no solo la mitad de cada uno. De esa superpozición de dos estados diagonales, uno u otro se realiza, y en un caso el fotón pasa completamente, en el otro caso no pasa completamente.

Ahora, sin moverse, inserte una lente de otro par de anteojos polarizados entre sus anteojos y la pantalla. Dale la vuelta lentamente. En algún momento podrás volver a ver la imagen.

Los fotones que pasan a través de los tres filtros, entre los filtros están en superpozición, y luego saltan, tres veces. Solo puedes ver aquellos que sobrevivieron a los tres saltos. Lo curioso es que agregar un filtro intermedio los vuelve a hacer visibles.

Las computadoras cuánticas son, con mucho, la mejor prueba experimental de esto. Incluso para los problemas de juguetes muy pequeños, estamos limitados a la actualidad. El número 56,153 ha sido factorizado por una computadora cuántica (este fue un récord mundial en 2014, tal vez ha sido batido desde entonces). Esta hazaña en sí no es sorprendente, pero aquí está el problema:

Si cuenta el número de operaciones según lo definido por puertas cuánticas, qbits y ciclos de reloj, encontrará algo sorprendente:

El número de operaciones es mucho menor de lo que posiblemente requiera cualquier algoritmo conocido.

Esta es la prueba definitiva de superposición, si todas las combinaciones posibles de operaciones no están en superposición, simplemente no hay forma de explicar cómo funcionan las computadoras cuánticas. He derivado algunos de los algoritmos más populares en otras respuestas de quora …

No sé, no creo que el experimento de la doble rendija sea la respuesta. Pero, de nuevo, tampoco estoy seguro de la respuesta correcta. Hay algo llamado los estados degenerados donde la partícula puede estar en cualquier número de estados, pero todos estos estados corresponden a un valor como el observable. Me viene a la mente una molécula vibratoria: espectroscópicamente emite una longitud de onda dependiendo de la velocidad o la rotación, pero la orientación no se puede conocer y la polarización de la luz puede revelar que está en una de muchas orientaciones (girando en horizontal o vertical o algunos exes) . ¿Pero cual? (No voy a publicar esto como respuesta hasta que esté seguro *). Esta fue la inspiración de la teoría de muchos mundos. En un mundo paralelo, la molécula vibra en los ejes horizontales y en el otro mundo paralelo vibra en los ejes verticales, pero ambos mundos observan la misma longitud de onda y polarización.

// * Qué demonios, no tengo tiempo para investigar ahora, así que, simplemente publicaré esto. ¡Alguien verá esto y citará ese papel!

Cualquier experimento que muestre difracción o interferencia sugiere fuertemente que las partículas están en una superposición de estados. Por ejemplo, el experimento simple de dos rendijas:

Experimento de doble rendija

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