Kvantisysteemeissä

Kvantisysteemeissä tarkoitetaan fysikaalisia järjestelmiä, joissa suureet ovat kvantittuneita ja arvojen mahdollisuudet ovat diskreettejä tai kvanttipohjaisia. Kvanttimekaniikka kuvaa tällaisia järjestelmiä tilan, mittausten ja aikaisen evoluution kautta, ja se tunnistaa, että mittaustulokset ovat tuloksia todennäköisyyksien mukaan sekä että tilat voivat olla superpositioita.

Matemaattisesti kvantisysteemit rakennetaan Hilbertin tilan varaan. Obeservabillit eli mitattavat suureet esitetään operatorina, joiden mittaustulokset ovat niiden eigenarvoja. Tilat kehittyvät aikaliseltureen Schrödingerin yhtälön tai vastaavien muodollisuuksien kautta, ja mittauksen yhteydessä voidaan havaita kollapsi tai decoherence-ilmiöitä. Joillakin suureilla on diskreetti spektri, kuten energiat tai pyörimismomentin kvanttiluvut; toisinaan spektri on jatkuva esimerkiksi epäsitoutuneissa, vapaina liikkeissä.

Esimerkkejä kvantisysteemien kvantitointiin liittyvistä ilmiöistä ovat energian ja momentin kvantittuminen, kuten elektronin energiatason jakautuminen tai spin-1/2-tila, joka voi olla kahdessa kiertokuntatilassa. Kvantisysteemit voivat olla sidoksissa toisiinsa ja muodostaa kvanttitiloja, joissa on entanglementtia, eli tilojen korrelaatioita, joita ei voi selittää klassisilla tavoilla.

Kvanttisysteemien tutkimus kattaa sekä perustavanlaatuista fysiikkaa että sovelluksia. Kvanttilaskenta perustuu kvanttibittien tiloihin ja niiden yhdistelykykyyn, kun taas kvanttidiagnostiikka sekä kvanttiprojektorit hyödyntävät herkkää mittausta ja superfuksista vuorovaikutusta. Haasteina ovat ympäristön häiriöt ja decoherence sekä tarve kehittyä tehokkaille virheenkorjauksille ja vakaalle kontrollille.