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量子叠加是量子力学最神奇的现象之一。与经典世界中的比特只能处于0或1状态不同，量子比特可以同时处于0和1的叠加态。这种叠加态用数学公式表示为|ψ⟩等于α|0⟩加上β|1⟩，其中α和β是复数概率幅，描述了量子系统处于不同状态的可能性。
薛定谔猫是量子力学中最著名的思想实验。在这个实验中，一只猫被放在密闭的盒子里，盒子内有一个放射性原子。如果原子衰变，就会触发毒气装置杀死猫。根据量子力学，未被观测的原子处于衰变和未衰变的叠加态，因此猫也应该处于生死叠加态。然而在宏观世界中，我们从未观察到这种叠加现象，这是因为环境的干扰使得量子叠加在宏观尺度下迅速消失。
量子态的数学描述使用波函数来表示。一个量子比特的叠加态写作|ψ⟩等于α|0⟩加上β|1⟩，其中α和β是复数概率幅。这些概率幅必须满足归一化条件，即|α|²加上|β|²等于1。|α|²表示测量时得到|0⟩态的概率，|β|²表示得到|1⟩态的概率。通过调整α和β的值，我们可以看到概率分布如何变化，这就是量子叠加态的数学本质。
量子测量是量子力学中最神秘的过程。在测量之前，量子系统处于叠加态，同时包含多种可能的状态。但是一旦进行测量，波函数会瞬间坍缩到某个确定的本征态上。这个过程具有随机性，我们无法预测具体会坍缩到哪个状态，只能根据概率幅的平方来计算各种结果的概率。测量过程是不可逆的，一旦坍缩发生，原来的叠加信息就永远丢失了。
双缝干涉实验是验证量子叠加和测量坍缩的经典实验。当单个电子通过双缝时，如果我们不观测它通过哪个缝，电子会同时通过两个缝，在探测屏上形成干涉条纹，这证明了电子的波动性和叠加态。但是，一旦我们在其中一个缝放置探测器来观测电子的路径，干涉条纹就会消失，电子表现出粒子性，只通过一个确定的缝。这个实验清楚地展示了观测行为如何导致量子态的坍缩。