“先有鸡”而且“先有蛋”

资料来源:KEITHSBISHOP/ISTOCK photo

在日常生活中，事情是按一定的顺序发生的——你起床前闹钟会响，反之亦然。然而，一项新的实验表明，当研究对象变成光子时，不可能解释这两个事件发生的顺序。这抹杀了人们对时间的常识，并可能混淆因果关系的概念。这种被称为量子开关的装置可能为新兴的量子信息技术提供一种有用的新工具。

量子力学颠覆了人们的理解，即每个物体一次只能位于一个地方。由于量子力学怪诞的本质，像电子这样的微小粒子可以同时位于多个地方。量子开关实现了类似的事情:它可以证明事件a可以在事件b之前发生，而事件b可以在事件a之前发生。

"看到人们用真实的实验来实现我们的想法，我非常兴奋。"英国牛津大学的朱利奥·奇里贝拉是2009年首次提出这一概念的理论家之一，他说。

为了证明这种效应，澳大利亚昆士兰大学的物理学家安德魯·怀特和他的同事们将光子发射到一种叫做干涉仪的装置中。在这个装置中，两个通道被分开，然后重新组合。光子既是粒子又是电磁波，可以被极化成水平或垂直方向的弯曲。研究人员搭建了一个平台:如果光子在垂直方向被极化，它将首先通过平台的左边路径，然后“冲回来”并通过不同的“端口”，即右边路径进入设备。如果光子在水平方向被极化，它会先走右边的路径，然后走左边的路径。

然而，量子力学允许光子同时以两种方式偏振，从而导致对角偏振。当一个对角极化的光子进入上述装置时，描述它的量子波被分成垂直极化和水平极化两部分。当光子同时走两条路径时，量子波会在装置的出口处再次合并。当光子重复这一“旅程”时，它将再次走两条路径，尽管光子量子波的每一部分一次只走一条路径。因此，无法解释光子通过路径的顺序。

棘手的部分是证明实验中发生了什么。物理学家不能插入探测器来揭示光子在“迷宫”中的位置。由于量子的奇异性质，这种显式测量将在光子同时采用两条路径的微妙条件下“崩溃”并破坏实验。相反，物理学家必须找到一些更温和的方法，在光子上打印出他们通过特定路径的痕迹。

为此，研究人员利用每个光脉冲都有一个形状或空间分布(除了偏振)的事实，通过在每个路径上放置透镜和其他光学元件来“干扰”通过的光子，并温和地改变光脉冲的形状。这些变化在实验中是真实的“事件”，根据物理学家沿着每条路径应用的小系列变化，光子的偏振可以从一个对角线方向反转到另一个方向。在这个过程中，量子波的两个部分重组。这种微妙的联系是实验的关键。

在许多实验中，物理学家在两条路径中应用不同的形状变化组合，就像在一堆设置中选择两个不同的按钮一样。如果首先为每个光子明确选择一条路径，则按钮设置和光子最终偏振之间的相关性必须遵循某些限制。然而，如果两者首先采用两条路径，则关联将超过这样的限制。这正是物理学家在《物理评论快报》的一篇文章中观察到的。

根据当前情况，实验者在两条路径上分别选择一些操作。然而，法国奈尔研究所致力于该实验的物理学家西里尔·布兰查德(Cyril Branciard)表示，原则上，该实验表明，量子力学使得这两个过程相互触发成为可能。"人们可能会遇到事件A触发事件B，而事件B触发事件A的情况."

2015年，奥地利维也纳大学的物理学家进行了类似的实验。然而，该校的理论家卡斯拉夫·布鲁克纳(Caslav Brukner)进行了之前的测试，他表示，最新的测试首次克服了技术上的限制，可能更容易在实际应用中推广。(宗华编译)

中国科学新闻(2018-08-28第三版国际版)