量子在测量之前真的处于叠加态吗

以下内容参照微软研究院主题演讲《Quantum Computing for Computer Scientists（计算机科学家量子计算导读）》的结构进行整理和扩充的。
本篇是第四部分。上一篇 【科普】量子计算通识-3

经典比特位Classic bit，简称cbit。
经典位只有0或1两种状态。无论我们使用什么含义，0或1，真或假，开或关，阴或阳...即使我们前几篇文章中使用的向量(1,0)(0,1)，也都是经典位，因为它只有两种状态，没有半阴半阳状态。

量子位Quantum bit，简称qbit。
量子位只能用二元向量的形式表示，它的定义如下：

从这里可以看出，a和b都是0到1或0到-1之间的数字。下面是几个较为常见的量子位：

经典位是量子位的一种特殊情况 。

在我们熟悉的宏观现实中，只能把足球踢入一个球门，即使对面有两个球门，我们起脚的一刻就已经决定了球只能飞往其中一个。

而在双缝实验中，我们向两条缝发出一个光子，但无法知道它将要飞往哪一条缝，实际上它会像水波一样同时穿过两条缝隙并产生自我干涉。

除非我们在缝隙处安装检测装置进行观测，但结果是在某条缝隙上要么观测到光子通过，要么观测不到，而不可能观测到半个光子通过。

我们的观测行为导致不确定性的光子变为确定性，把可能左可能右变为确定通过某一条特定缝隙。

如果我们把两条缝隙视为0或1，那么在测量之前就是不确定的，有50%可能穿过左边缝隙，也有50%可能穿过右边缝隙，这种状态我们就说它处于 叠加态Superposition 。

我们的测量导致叠加态的不确定性变为确定的现实，这个过程叫做 量子坍缩Collapse ，就是变为0或1的确定现实。

测量将导致量子坍塌，将不确定性变为确定。
对于量子比特来说就是求每项的平方值：

这里的 表示它有多大可能性(Probability)是0，或者说有多大可能穿过左边的缝隙;同样 表示它有多大可能性是1，或者说有多大可能性穿过右边的缝隙。

一定是1，仍然遵循量子位qbit的定义，从概率上我们也能解释，那就是所有可能之和一定是100%，不管有多大概率穿过左边或者右边，概率之和一定是100%，不可能有其他情况。

简单记忆就是，上面一项的平方表示0的可能性，下面一项的平方表示1的可能性。 因为(0,1)有 即100%的可能性是1，0%的可能性是0，所以(0,1)是确定的1，而(1,0)是确定的0：

从这里我们也可以看到向量表示的经典比特也是一种特殊的量子比特。

在量子计算中，更多情况的量子比特测量之后并不能确定成为0或1，而是仍然处于概率性的纠缠状态，比如：

这表示仍然有50%的概率是0，50%的概率是1，仍然是不确定性的,对于一个均匀硬币来说，这里面没有包含有效的信息。但下面的情况就有所不同，它表明了这是一个作弊的硬币：

多比特的定义仍然遵循张量积Tensor Product算法：

注意，仍然满足各项平方和是1的规则，即：

这就好像我们向双缝发射了两个光子，那么它们穿过双缝就有四种可能情况，【左左，左右，右左，右右】，而最终这四种情况的可能性之和一定是100%。例如：

所以它有25%可能坍塌到|00>，也有25%可能坍塌到|01>，也有25%可能坍塌到|10>，也有25%可能坍塌到|11>。

在现实中，能否在不进行测量的前提下对量子进行操作？答案是肯定的。
科学家们可以利用一些透镜或者仪器对飞行中处于纠缠态的量子进行操作，而且操作之后量子仍然处于纠缠态。这其实是量子计算机的科学实验基础。

在量子计算中，我们也可以利用矩阵数学算法对纠缠态的量子比特进行计算，比如前两篇文章介绍过的各项翻转或CNOT门操作。这和现实中科学家所做的实验是一致的。

实际上有很多量子计算的重要操作都是在叠加态状态下进行的，我们只在最后一步的时候才会进行求平方的测量操作，以尝试获取坍塌后的确定值。

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END

目前，已经证明，至少在量子世界中，两个现实可以同时存在。试验证明可能同时存在多种现实，这一研究结果对科学的基本性质提出了挑战。为了探索他们的假设，奥地利因斯布鲁克大学实验物理系的研究人员研究了世界上棘手的意识形态实验之一，即魏格纳之友 实验里，这项以诺贝尔奖获得者物理学家尤金 · 维格纳命名的实验是在 1961年提出的。

在魏吉纳实验中，当实验室的观察者测量光子时，他们发现粒子的偏振要么是水平的，要么是垂直的，而光子在测量前同时表现出两种偏振，这是由量子力学定律决定的，量子力学定律存在于两种可能状态的叠加 ，即它同时处于水平和垂直状态。魏格纳在实验室外通过简单的干涉实验测试证明光子仍处于叠加状态。在思想实验中，两个观察同一光子的人可能对光子状态得出不同的结论。

这两个观察结果是正确的，长期以来，魏格纳朋友一直是一个有趣的思想实验，量子力学和物理学的不断进步使研究人员能够检验这一理论。魏格纳和他的同时使用光子纠缠理论，他们认为，如果来自同一束的两个光子分开，其中一个光子会发生什么，它可以被反射到另一个光子上，第一次复制了思维实验中描述的条件。

研究结果发表在arXiv中，证实即使观察者在同一光子中描述了不同的状态，这两个矛盾的事实也可能是真的。在观察过程中，光子以偏振态存在，但当使用干涉实验时，得出的结论是光子仍以叠加态存在，本研究不仅证实了长期讨论的思想实验，而且对观察方法的基础提出了挑战。