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在量子力学中,电子自旋是一个基本的量子性质。与经典物理不同,电子的自旋可以同时处于上旋和下旋的叠加态。这种叠加态用波函数表示,其中α和β是概率幅。在测量之前,电子同时具有两种自旋状态,只有在测量时才会坍缩为确定的上旋或下旋状态。
布洛赫球面是量子比特的几何表示。球面上的每一点代表一个量子态。北极代表|0⟩态,南极代表|1⟩态,赤道上的点代表|0⟩和|1⟩的等权重叠加态。状态矢量从球心指向球面上的点,通过角度θ和φ参数化。当量子比特演化时,状态矢量在球面上旋转。
薛定谔猫是量子力学中著名的思想实验。在密闭盒子中,放射性原子有50%概率衰变。如果衰变,探测器触发毒气释放,猫死亡;如果不衰变,猫存活。根据量子力学,测量前原子处于衰变和未衰变的叠加态,因此猫也处于生死叠加态。这揭示了微观量子效应与宏观世界的矛盾。
维格纳朋友实验进一步揭示了量子测量的悖论。实验室内的朋友观测量子系统,得到确定结果。但从实验室外的维格纳角度看,整个实验室包括朋友都处于叠加态。这产生了矛盾:同一个系统在不同观察者眼中有不同的量子态描述,揭示了观察者在量子力学中的特殊地位。