¿Cómo se verifica experimentalmente la superposición cuántica cuando la observación física detectaría un solo estado?

La superposición cuántica es una expresión matemática para todos los estados posibles de una partícula.

Es posible crear una distribución de los estados cuánticos de la partícula. Experimentalmente, necesitarías muchas copias de la partícula. Cuando se observa la partícula, registraría su estado cuántico. Después de hacer esto muchas veces, miraría todos los estados contados. Esto se llama histograma.

El histograma mostrará todos los estados posibles en los que podría estar una partícula. La probabilidad de que eso dependa de cuántas veces se contó el estado.

Puede convertir su histograma de recuentos en una distribución de probabilidad dividiendo cada uno de los estados contados por el número total de recuentos. Ahora, si elige un estado cuántico y observa el valor numérico de la distribución en ese estado, tiene la probabilidad de que pueda observar la partícula en ese estado. Estos estados pueden ser estados de posición, estados de impulso, estados de rotación, etc.

La superposición de estados, en una expresión, da todos los estados posibles (los [math] \ psi [/ math] ‘s) en los que la partícula podría estar cuando se observa.

[matemáticas] \ Psi = c_ {1} \ psi_ {1} + c_ {2} \ psi_ {2} +… c_ {n} \ psi_ {n} [/ matemáticas]

Entonces se dice que la partícula está en una superposición. Esta es una construcción teórica que ayuda a hacer cálculos (promedios de observables). No hay misterio

A cada estado se le asigna un peso (las [matemáticas] c [/ matemáticas] en la expresión) que denotan la probabilidad de que la partícula tenga ese estado. Cuando se observa o mide la partícula, las posibilidades de medirla en ese estado están dadas por [math] c ^ 2 [/ math] para ese estado particular en cuestión. La suma de todos los [math] c [/ math] al cuadrado debe ser igual a 1

[matemáticas] \ sum_ {i = 1} ^ {n} c_ {i} ^ 2 = 1 [/ matemáticas]

Es muy fácil confundir esto con la idea de que una partícula está en varios lugares a la vez. Pero la idea de superposición es una expresión que trata con las probabilidades.

En experimentos reales, se utilizan muchas partículas para obtener todos los recuentos. El objetivo es preparar todas las partículas de la misma manera para que sus estados cuánticos accesibles sean todos iguales. Esto debería ser lo mismo que hacer muchas copias de la misma partícula.

Aquí hay un experimento real que comienza preparando un sistema en una superposición de estados, lo que significa que sus estados permitidos están limitados a unos pocos (en este caso, solo 2). Estos son qubits. Primeros efectos cuánticos observados en un objeto visible.

Referencia del diario: Nature , DOI: 10.1038 / nature08967

El qubit está “preparado en una superposición cuántica de dos estados de energía”, y el “qubit ciclado entre sus dos estados”. Este experimento muestra un objeto cuántico en transición entre sus 2 estados permitidos (espacio de Hilbert). La superposición está formada por estos estados permitidos. Tenga en cuenta que el estado medido es uno u otro, y nunca es una combinación de ambos. Pero las probabilidades de ambos siempre suman 1.

Ahora que tiene la distribución de estados, en teoría podría crear la expresión matemática de la superposición de estados. Sin embargo, eso no se hace normalmente. La forma habitual es resolver la ecuación de Schrodinger para obtener todas las funciones de onda (las [matemáticas] \ psi [/ matemáticas]), ya sea analítica o numéricamente.