叠加:不是同时是 0 和 1
叠加是概率幅相加,不是两个状态并存
把 H 门作用在 |0⟩ 上,得到一个叫 |+⟩ 的态,测出来 0 和 1 各占一半。听到这里,多数人会在心里补一句「所以它同时是 0 和 1」。这句话错得不算多,但正好错在最关键的地方。
两个系数,加的是概率幅
两个系数 是 概率幅,不是「份额」。概率是它的模平方:, 同样是 1/2,两者相加为 1,这叫归一化。
如果系数只是份额,它凭什么可以是负数? 在 z 方向测也是各半,却是另一个态:对 |+⟩ 再按一次 H 得到 |0⟩,对 |−⟩ 再按一次 H 得到 |1⟩。差别全在那个负号里,也就是 相位。
H 门也不是随机器:它把 |0⟩ 摊成两个基上各一份振幅;连按两次,|1⟩ 上那两份振幅等大而反号,相加为零,于是必然回到 |0⟩。随机器做不到这一点,它第二次照样各半。
先按「重置」,画面只剩 |0⟩ 一根柱子;再按一次 H,两根柱子同时长到一样高,柱下都写着 50%。
交互演示
柱高是概率幅的模,柱下的百分比才是概率。这两个数常被混为一谈,而干涉恰恰发生在柱高(带符号)相加的那一步。
测一次,只有一个结果
不管准备得多好,单次测量只蹦出一个 0 或一个 1,不会「各出半个」。要看到一半一半,得把同样的制备与测量重复很多次,频率才逼近 。
这也不是仪器不够精细。测量之后态变成 |0⟩ 或 |1⟩,再测一次还是同一个结果——如果第一次只是「碰巧」,第二次没有理由重复。
所谓「原则上没有确定值」,说的是测量之前态里没有这项数据,不是我们暂时查不到:查不到可以换仪器,没有就是没有。
|+⟩ 是 0 和 1 同时存在,只是我们还没看,一看就只剩一个。
|+⟩ 是一个确定的态,只是它在 z 基上没有确定的值;测量把它投影到 |0⟩ 或 |1⟩。
前半句听起来像「混合」:你早就知道是哪个,只是没看。后半句才是叠加:它本来就不是哪个,测量才让它成为某个。
一句话结论
叠加不是两个状态并存,而是一组概率幅的和:系数决定概率,符号决定干涉。把这两件事分开记,后面读 H 门、读干涉,都不会再绕回「同时是 0 和 1」。
本节自测 · 3 题
未作答
01|+⟩ 和 |−⟩ 在 z 方向测量时都是各一半。下面哪句话是对的?
解析 · 两者的系数是 1/√2 与 ±1/√2,模平方都一样,但符号不同,属于相对相位。对 |+⟩ 再按一次 H 得到 |0⟩,对 |−⟩ 再按一次 H 得到 |1⟩,所以它们能被实验区分。整体相位不可观测,但这里变号的是其中一项,是相对相位。
02有人说「|+⟩ 里 0 和 1 各占一半,所以它同时是 0 和 1」。这句话的问题在哪?
解析 · 系数 1/√2 是概率幅,模平方才是 1/2,把它读成「份额」就已经偏了;而「同时存在」暗示测量只是揭晓,这正是要驳的说法。若系数真是 1/2,概率就成了 1/4,与实验结果不符;|+⟩ 是纯态,不是混态。说「不够严谨」也站不住:这是把概率幅当成份额的概念错误,不是措辞问题。
03把 |+⟩ 送进 z 基测量,只测一次。最准确的说法是哪一个?
解析 · 单次测量只出一个结果,概率性体现在多次重复的统计上,而不是单次给出小数。中间值不会出现,测量结果是本征值;两个结果同时记录等价于「同时是 0 和 1」,与实验不符;没有确定值指的是测量前,不是测不出结果。