测量不是偷看,是参与
测量改变态,且结果原则上没有确定值
从 |0⟩ 出发。先测 Z 再测 X,与先测 X 再测 Z,统计结果不一样:前者第一次必然得 0,后者第一次就各半。这不是实验做得不够小心,而是量子力学最硬的一条规则:测什么,决定你能得到什么;测的顺序,决定后面还能得到什么。
测完,态被改写了
对 做一次 测量,在 z 基下对应算符 与 ,概率是
测到 0,态就变成 |0⟩——投影之后再归一化。所以同一基连续测两次,第二次必然还是 0:不是又碰巧,是态已经是 |0⟩ 了。这一步有时被叫作 坍缩,名字不重要,重要的是它完全可以算:投影,再除掉长度。
换一个基,等于换一个问法
X 与 Z 不对易:,即 。这条代数事实的操作含义,就是两种测量不兼容。回到 |0⟩ 上看:
- 先 Z 后 X:Z 必然给 0,态仍是 |0⟩;再测 X,两个结果各半。
- 先 X 后 Z:X 先给各半,态变成 |+⟩ 或 |−⟩;再测 Z,又各半。
第一种顺序里,第一个结果是确定的;第二种里,没有一步确定。所以「同时知道 X 和 Z 的值」不是我们做不到,而是这样的态根本不存在。
按 H 造出的 |+⟩,就是「在 z 基上完全不确定」的样子:两根柱子等高。
交互演示
从 |+⟩ 再按一次 H 会回到 |0⟩,那是酉演化在抵消概率幅,不是测量。演示里没有「测量」按钮,因为它跑的是可逆的门;但重置前后这两张图,正好对应投影前后。
测量只是偷看一眼,态本来是什么还是什么。
测量把态投影到被测基上并重新归一化;同基再测必然相同,换基则重新分配概率。
偷看不会改变被看的东西,测量会。这是它和经典观测最不一样的地方。
一句话结论
测量不是把一个预先存在的值读出来,而是把态投影到你选的基上,再按投影的大小给一个概率。同基连测,答案被锁死;换一个基,答案重掷。这两种行为合起来,才是「测量参与构造结果」的完整意思。
本节自测 · 3 题
未作答
01从 |0⟩ 出发,先测 X 再测 Z,与先测 Z 再测 X 相比,最本质的差别在哪?
解析 · |0⟩ 是 Z 的本征态,所以先测 Z 必然给 0;而它在 X 基上各半,先测 X 就没有确定结果,这正是两种基不兼容的可操作含义。若两种顺序统计相同,X 与 Z 就等于兼容了,与它们不对易的事实矛盾;|0⟩ 不是 X 的本征态,「先测 X 必然得 +1」把两者说反了;差别从第一步就开始了,不是只在第二次。
02在 z 基下测一个 |+⟩,得到 0。紧接着在原装置上再测一次 z,结果是?
解析 · 第一次测量把态投影成 |0⟩,再测同一个基,态没有理由改变,所以必然还是 0。各半是测量之前的 |+⟩ 才有的性质;「平衡」是赌徒谬误,单次结果之间没有记忆;这里与仪器精度无关,是态本身已经确定。
03演示开局是两根等高的柱子,按「重置」后只剩一根。关于这两个画面,哪种说法对?
解析 · 重置是把线路清空,态回到 |0⟩,属于制备,不是测量;而一次 z 基测量之后,态确实变成 |0⟩ 或 |1⟩,画面上同样是单柱。H 是可逆的酉门,不是测量,所以「按 H 是测量」说反了;两个画面分别对应制备与投影后的态,有明确的物理含义。