不带误区的叠加态
“量子”课程第 2 课，共 23 课。免费，有动画和小测验。
硬币：好的开头，但不是全部
叠加态常被比作硬币：它在空中转的时候“既是正面也是反面”。作为第一印象还行。但硬币的结果其实早定了：抛的力度和空气决定了它怎么飞，我们只是不知道答案。量子粒子在测量之前根本没有答案，只有一组“振幅”，下一页讲。听起来像文字游戏，但这个区别能用实验验证。马上演示。
振幅：带正负号的概率
每个可能的结果都有一个振幅。看到这个结果的概率等于振幅的平方。比如振幅 0.7，概率就是 0.7 × 0.7 ≈ 0.5，也就是 50%。和普通概率最大的不同是：振幅可以是负的。硬币的概率只会相加，25% 加 25% 永远不会是 0。但振幅 +0.5 和 −0.5 会互相抵消成 0。这个把戏叫“干涉”，所有量子魔法都靠它。
实验：一面半透镜
半透镜会让一半的光穿过，另一半反射。我们严格地一个一个发射光子。镜子后面有两个探测器 A 和 B。光子从不会分成两半：每次只有一个探测器响，而且猜不到是哪个。发了一千个光子后，A 和 B 的次数差不多，各 50%。到这里还和公平的硬币一样。记住这个画面，我们马上要打破它。
第二面镜子打破了硬币逻辑
现在把两条路径汇到第二面半透镜上。按硬币逻辑：每面镜子都是 50/50，所以 A 和 B 各 50%。真实实验里只有 A 响，100% 都是 A，B 一声不响。原因是：到 B 的两个振幅符号相反，互相抵消；到 A 的则叠加在一起。早在 1986 年，法国阿兰·阿斯佩的团队就用单个光子验证了这一点。硬币做不到这个。
偷看一眼：魔法没了
在其中一条路上放一个探测器，记录光子有没有走这条路。结果立刻又变回 50/50，A 和 B 都会响。只要世界上任何地方存在“光子走了哪条路”的信息，振幅就不再抵消。叠加态只在路径对任何人、任何东西都未知时才存在。这是量子比特的关键规则：任何信息泄露到外界都会破坏计算。所以它们被非常小心地和外界隔开。
电子一个一个来
1989 年，日本日立的实验室。外村彰让电子一个一个地穿过“双缝”。每个电子在屏幕上随机留下一个点。打了十几个，看起来乱七八糟；打了几千个，点就排成了条纹，好像两条缝出来的波叠在了一起。可电子是一个一个飞的。所以每个电子都在和自己干涉。这段视频至今还在全世界的课堂上播放。
误区：“同时有两个分身”
常有人说：处于叠加态的粒子同时在两个地方。听起来很酷，但会误导人。从来没人抓到过两个分身：一测量，粒子总是只在一个地方。更准确的说法是：测量之前，粒子没有确定的位置，每个可能的位置都有自己的振幅。量子计算机玩的正是这些振幅：它想办法让错误答案互相抵消。
自测一下
- 如果在一条路上放个“间谍”，探测器会显示什么？
正确答案: A 和 B 各约 50%. 探测器产生了路径信息。有了它，振幅不再抵消，实验就变回一枚公平的硬币。 - 两个振幅到达探测器 B：+0.5 和 −0.5。B 响的概率是多少？
正确答案: 0%. 先把振幅相加：+0.5 + (−0.5) = 0，再平方：0² = 0。概率为 0，B 不响。 - 哪种对叠加态的解释更准确？
正确答案: 还没有确定位置，每个选项各有振幅. 测量前没有确定的位置，只有能叠加或抵消的振幅。一测量，总是得到一个位置。