叠加态什么意思 (什么叫叠加态)

admin 2024-11-30 40 0

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叠加态什么意思

“叠加态”,就是量子在没有得到人类观察的时候,存在的状态是不确定的;它证明了宇宙中存在“上帝掷骰子”的现象,对于那些严谨的科学家来说,是非常可怕的。

一般来说,量子处于两种状态:叠加态和坍缩态。

很多人都喜欢用“薛定谔的猫”,来举例说明这个问题,实际上,上世纪著名物理学家薛定谔提出这么一个假设,本来是为了说明“量子力学”有多荒谬的;

叠加态什么意思 (什么叫叠加态)

密度矩阵

在量子力学的奇妙世界里,不确定性是其核心特征之一。让我们从一个直观的例子开始,马丁为我们揭示了这个概念——测量一个叠加态,如

,这是泡利算符的叠加态,其中测量0态和1态的概率各为1/2,遵循著名的Born规则。尽管我们已知了测量结果的概率分布,但量子不确定性依然存在,即使我们知晓概率分布,结果本身仍是未知的。

相较于经典力学,量子系统中的不确定性源于纯态与混合态的不同。

纯态可以用一个态矢量明确表述,测量结果的概率分布是确定的。

然而,密度算符的出现,宛如量子力学舞台上的新角色,它不仅代表纯态,更是混合态的忠实描绘者。

简单来说,密度算符是希尔伯特空间中的一种线性算符,专门用于描述那些包含多种量子态统计系综的系统。

其基本假设,即每种量子态对应一个唯一的密度算符,它具有三个关键属性:

用数学语言描述,密度算符可以写成 ,其中 是各个态的概率, 是对应的态矢量, 是所有可能状态的集合。

这个表达式就像经典概率论中的概率分布,但它揭示了量子世界的复杂性和不确定性。

当我们将密度算符应用于算符本征值时,一个有趣的公式出现了:,通过单位元和标准正交基的巧妙转换,我们得到了这一表达。

纯态与混合态的界限清晰可见。

纯态的定义是,如果存在一个态矢量使得密度矩阵可以简化为 ,它就被称为纯态。

反之,如果无法找到这样的简化形式,系统就是混合态。

纯态与迹的关系尤其微妙,其密度矩阵的平方迹等于1,这是纯态的标志。而混合态的秩通常大于1,它们与纯态的简洁性形成鲜明对比。 举个例子,马丁提到的两个看似简单的密度算符 表面看起来,似乎一个是纯态,一个是混合态,然而实际的分析揭示了一个出人意料的反转。

@Dylan 提醒我们,这种混淆源于矩阵的对角化,特别是对于 ,它是投影算符,意味着无法找到一个纯态形式来直接对应。

在这个量子的迷宫中,纯态与混合态的交错,以及密度矩阵的巧妙构造,都揭示了量子世界的深度和微妙。

这不仅是一个数学概念,更是对自然界微观世界的深刻洞察。

量子叠加态是什么意思

一个量子系统的几个量子态归一化线性组合后得到的状态。

在量子力学里,一个量子系统的量子态能是几种不同量子态中的任意一种,归一化线性组合也能是其量子态,这个线性组合称为叠加态。

在实际的量子系统中,叠加态能包含多个量子态,量子的数目和比例能是任意的。

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