Принцип суперпозиции утверждает, что квантовая система может находиться в нескольких состояниях одновременно, пока не проведено измерение.Классический пример суперпозиции — интерференция света от двух щелей: светлая полоса там, где гребень волны встречается с гребнем, тёмная — где гребень накладывается на впадину. Квантовая механика распространила это и на частицы. В 1926 году Эрвин Шрёдингер вывел уравнение, описывающее эволюцию волновой функции ψ (комплексного числа, квадрат модуля которого даёт вероятность найти частицу). Уравнение линейно, поэтому сумма любых двух его решений тоже решение. Так одиночный электрон, проходя через две щели, интерферирует сам с собой. В 1930 году Поль Дирак обобщил формализм, представив состояния как векторы в гильбертовом пространстве. Знаменитый кот Шрёдингера — мысленный эксперимент, где кот находится в суперпозиции «жив/мёртв» — показывает, насколько странной кажется квантовая логика в повседневном мире.
Волновая суперпозиция известна с античности по наблюдениям за кругами на воде. Математическое описание дал Христиан Гюйгенс в 1678 г., объясняя свет. В квантовую физику идею суперпозиции состояний ввёл Луи де Бройль в 1924 г., предположив волновые свойства частиц. Эрвин Шрёдингер в 1926 г. записал волновое уравнение, где суперпозиция возникает естественно. Поль Дирак в 1930 г. построил абстрактную формулировку с бра‑кет векторами, показав, что состояния складываются как геометрические векторы. Джон Стюарт Белл в 1964 г. использовал суперпозицию для вывода неравенств, демонстрирующих нелокальную природу квантового мира.
Принцип — рабочий инструмент всех квантовых технологий: квантовые вычисления (суперпозиция кубитов), лазеры (когерентное вынужденное излучение), туннельные диоды (электрон в суперпозиции прохождения/отражения), квантовая криптография (перепутанные состояния). Ограничения: линейность системы — в теориях сильных взаимодействий при высоких энергиях уравнения могут становиться нелинейными, что модифицирует суперпозицию. Остаётся открытым вопрос о суперпозиции состояний, различающихся гравитационным полем — это задача квантовой гравитации.
Квантовые компьютеры работают именно потому, что кубит способен находиться в суперпозиции 0 и 1, открывая путь к экспоненциальному ускорению вычислений. Интерференционные эффекты позволяют строить сверхточные детекторы гравитационных волн (LIGO) и световые гироскопы.
Сегодня принцип суперпозиции проверен на молекулах из более чем 10 000 атомов. Пролетая через дифракционную решётку, они дают интерференционную картину — огромный объект ведёт себя как единая волна.
