【QC】03 量子力学入门：叠加、纠缠和测量的神奇世界

今天，我们来聊聊量子力学中那些奇怪又美妙的概念——叠加、纠缠和测量，它们是量子计算的基石，也是打开量子世界的钥匙。

叠加

猫还活着吗？不一定！

先说叠加，这大概是量子力学中最“迷惑”的概念。简单来说，叠加就是“同时处于多种状态”。

举个量子力学中的经典段子：薛定谔的猫。

• 一只猫和一个装有毒气的装置放在一个密闭盒子里。毒气的释放由一个随机量子事件触发。
• 在打开盒子之前，猫既是“活着的”（0）又是“死了的”（1），这两个状态“叠加”在一起。

这听起来像是某种诡异的哲学实验，但在量子力学中，这种“既是又不是”的状态是真实存在的！

在量子计算中，叠加是效率的来源。一个经典比特只能是 0 或 1，但一个量子比特（Qubit）可以同时是 0 和 1，叠加得越多，计算能力就成倍增长。

纠缠

分开的锦囊，命运的魔法

接下来是纠缠，这听起来像是一种浪漫关系——其实也差不多！

量子纠缠是指：两个粒子之间的状态被绑定在一起，无论它们相隔多远，改变一个，另一个立刻响应。

想象一下，你和朋友各拿了一个“量子锦囊”，无论你们分开多远，只要打开锦囊查看内容，双方的结果会立刻对应。这种“超距离的同步性”听上去像是魔法，但它确实是量子力学的真实现象。

纠缠让量子计算的协作能力远超经典计算。例如，在分布式量子计算中，纠缠可以让不同的量子比特像一个整体一样工作，大幅提升计算效率。

测量

一切都看你的“视线”

最后说测量，这是量子力学中最戏剧化的部分——状态的坍缩。

在经典世界里，测量就像是拍照，记录下事实的状态。但在量子世界里，测量是“带着偏见的拍照”，因为你一旦观察，粒子就会被迫选择一个确定的状态。

还是用薛定谔的猫做例子：

• 盒子没打开之前，猫是“既活又死”的叠加态。
• 一旦你打开盒子，猫要么活着，要么死去，状态坍缩成一个确定的结果。

在量子计算中，测量是最后一步。所有叠加态和纠缠态的计算都在测量前完成，测量后，结果被转化为经典信息，供我们解读和使用。

有句话叫命越算越薄……算命跟测量是不是有共通之处呢？

实践

用 Qiskit 看见叠加态

讲了这么多理论，我们动手试试吧！用 Qiskit 可视化一个量子比特的叠加态。

代码实现

from qiskit import QuantumCircuit, transpile
from qiskit.visualization import plot_histogram
from qiskit_aer import AerSimulator

# 创建一个量子电路
qc = QuantumCircuit(1)  # 一个量子比特
qc.h(0)  # 应用 Hadamard 门，创建叠加态
qc.measure_all()  # 测量量子比特

# 模拟运行
simulator = AerSimulator()
circ = transpile(qc, simulator)
result = simulator.run(circ).result()

# 查看结果分布
counts = result.get_counts(circ)
print(counts)  # 输出 {'0': 514, '1': 510} 表示叠加态（你不一定获取到一样的数字，但比例应该是接近的）
plot_histogram(counts, title='叠加态')  # 绘制测量结果直方图

运行结果

• 理论：量子比特进入叠加态，测量后有 50% 概率是 0，50% 是 1。
• 现实：Qiskit 的直方图会显示类似的结果：两种状态的分布接近均匀。

{'0': 514, '1': 510}

量子力学的奇妙之处

• 叠加让粒子可以“既是又不是”，这是量子计算的效率来源。
• 纠缠让远距离的粒子紧密关联，这是量子通信和协作的核心。
• 测量让我们“看见”量子世界，但也会改变它。

量子力学颠覆了我们对世界的直觉，但它也为量子计算打开了无限可能的大门。

一起聊聊

如果让你打开“薛定谔的盒子”，你希望看到猫的状态是？活着？还是……意外的第三种状态？欢迎留言讨论！