Superpositie

Superpositie is het vermogen van een kwantumsysteem om zich in meerdere toestanden tegelijk te bevinden totdat het wordt gemeten.

Omdat het concept moeilijk te begrijpen is, wordt dit essentiële principe van de kwantummechanica vaak geïllustreerd aan de hand van een experiment dat in 1801 werd uitgevoerd door de Engelse natuurkundige Thomas Young. Het experiment met de dubbele spleet van Young was bedoeld om te bewijzen dat licht uit golven bestaat. Tegenwoordig wordt het experiment gebruikt om mensen te helpen begrijpen hoe elektronen zich als golven kunnen gedragen en interferentiepatronen kunnen creëren.

Voor dit experiment wordt een lichtstraal gericht op een barrière met twee verticale spleten. Het licht gaat door de spleten en het resulterende patroon wordt op een fotografische plaat vastgelegd. Als één spleet is afgedekt, is het patroon wat men zou verwachten: een enkele lijn van licht, uitgelijnd met de spleet die open is.

Intuïtief zou men verwachten dat als beide spleten open zijn, het lichtpatroon twee lijnen van licht uitgelijnd met de spleten zal weergeven. Wat er in feite gebeurt, is dat de fotografische plaat uiteenvalt in meerdere lijnen van lichtheid en duisternis in verschillende gradaties.

Wat dit resultaat illustreert, is dat er interferentie plaatsvindt tussen de golven die door de spleten gaan, in wat, schijnbaar, twee niet-kruisende banen zouden moeten zijn. Elk foton gaat niet alleen door beide spleten; het neemt tegelijkertijd elke mogelijke baan op weg naar de fotografische plaat.

Om te zien hoe dit zou kunnen gebeuren, hebben andere experimenten zich gericht op het volgen van de paden van individuele fotonen. Verrassend genoeg verstoort de meting op de een of andere manier de banen van de fotonen en op de een of andere manier worden de resultaten van het experiment wat de klassieke natuurkunde zou voorspellen: twee heldere lijnen op de fotografische plaat, elk uitgelijnd met de spleten in de barrière. Dit heeft wetenschappers tot de conclusie gebracht dat superpositie niet rechtstreeks kan worden waargenomen; men kan alleen het daaruit voortvloeiende gevolg, interferentie, waarnemen.

In de informatica heeft het concept van superpositie belangrijke implicaties voor de manier waarop informatie in de toekomst zal worden verwerkt en opgeslagen. De huidige klassieke computers verwerken informatie bijvoorbeeld in bits van één of nul, vergelijkbaar met een lichtschakelaar die aan of uit wordt gezet.

De kwantumsupercomputers van morgen zullen informatie echter verwerken als qubits -- één, nul of een superpositie van de twee toestanden.