狡猾量子颠覆因果

爱因斯坦走过两扇门。他首先穿过一扇绿色的门，然后穿过一扇红色的门。或者他能穿过红门，然后穿过绿门吗？也有两种选择。然而，当他通过这两扇门时，一定有一个顺序，对吗？

但是如果爱因斯坦从维也纳大学菲利普·沃尔特的实验室放入光子，情况可能就没那么简单了。

沃尔特的研究小组已经证明，当光子在实验室中高速飞行时，不可能判断它们通过两扇门的顺序。这不是因为订单信息丢失或销毁，而是因为这些信息根本不存在。在沃尔特的实验中，没有明确的事件顺序。

2015年的这一发现让科学家们意识到，量子世界比他们以前想象的更奇怪。沃尔特的实验打破了“一件事导致另一件事”的因果逻辑。这就像物理学家以前打乱了时间的概念，让人们觉得时间可以同时朝两个方向传递。

事实上，在量子理论的数学体系中，因果关系的模糊性是完全合乎逻辑的。研究人员还认为，非因果系统可以进一步促进潜在量子计算的发展。中国香港大学的量子理论家朱利奥·奇里贝拉(Giulio Chiribella)说:“如果有一台不受因果定律限制的量子计算机，它在解决某些问题上可能会比传统的量子计算机更快。”

此外，因为因果关系是物体如何通过空间和时间相互作用的规律，这个新的观点可能帮助人们解决当今物理学中最大的挑战之一。瓦尔特的合作者、维也纳量子光学和量子信息研究所的理论物理学家卡斯拉夫·布鲁克纳说:“因果关系是量子力学和广义相对论的结合点，因此它可能成为我们探索如何整合这两种理论的起点。”

时间的混乱

因果关系一直是量子力学中的一个关键问题。20世纪30年代中期，爱因斯坦质疑了尼尔斯·玻尔和沃纳·海森堡提出的量子力学的随机性。玻尔和海森堡提出的哥本哈根解释认为，量子测量的结果是随机的，只能在测量的时刻确定。

但是在1935年，爱因斯坦和他的同事波多尔斯基和纳森·罗森(根据他们名字的首字母，合称为EPR)提出了一个著名的思想实验，把玻尔对量子力学的解释推到了一个看似不合理的位置。

电子顺磁共振实验中有两个相互依赖的粒子，即“纠缠态”。也就是说，如果A的自旋是向上的，B的自旋必须是向下的，反之，如果A的自旋是向下的，B的自旋必须是向上的。

两种方向都是可能的。然而，研究人员只测量了其中一个粒子，以确定这两个粒子处于何种自旋状态。根据哥本哈根的解释，测量不仅让人们知道粒子的状态，而且使粒子“固定”在被测量的状态。

这也意味着另一个与这个粒子纠缠的粒子的状态也是瞬间固定的。

然而，爱因斯坦不能接受这种远距离瞬间发生的相互作用，因为这意味着相互作用的传输速度超过光速，这与狭义相对论相反。爱因斯坦坚信这个实验证明了哥本哈根解释的缺陷。他还认为粒子A和B在测量之前必须有一个确定的状态。

然而，对纠缠粒子的测量证明粒子自旋之间的相关性不能用粒子的现有性质来解释，但同时这些相关性并不违反狭义相对论，因为粒子的运动速度不能超过光速。这种联系是如何产生的？这很难用直观的因果关系来解释。

暧昧的动作

许多物理学家，如布鲁克纳的团队、奇里贝拉的团队和其他人，已经开始了他们探索量子力学中模糊因果关系的初步尝试。他们仔细设计了相互关联的事件甲和乙，但没有人能判断甲是先发生，导致乙，还是乙先发生，导致甲

在实验中，信息可以在甲和乙之间共享，但是一旦甲和乙之间有了明确的因果关系，共享过程就会结束。换句话说，正是因为甲和乙之间没有明确的因果关系，研究人员才可以使用剂量子系统来做一些不可能的事情。

研究人员已经准备了一种特殊的量子“叠加态”。量子叠加态是众所周知的:粒子自旋可以处于“自旋向上”和“自旋向下”的叠加态。电子顺磁共振实验中的两个自旋处于叠加态。然而，具有叠加态的量子物体同时处于两种不同的状态，人们无法预先判断测量结果是什么。这两个可观察的状态可以被视为量子位的二进制状态。量子比特是量子计算机的基本单位。

研究人员进一步扩展了这一概念，创造了因果关系的叠加。此时，两个叠加的状态代表事件的顺序:一个是粒子首先通过门A，然后通过门B，因此门A输出的粒子状态将影响门B的输入状态；另一个则相反。

2009年，奇里贝拉和她的合作者提出了一个理论想法，用量子比特作为开关来控制粒子经历的事件的因果序列。当控制开关位处于0状态时，粒子通过门a，然后通过门b。当处于1状态时，粒子通过门b，然后通过门a。然而，如果位处于0和1的叠加状态，另一个量子位将经历两个顺序的因果叠加——也就是说，当粒子通过两个门时，没有确定的顺序。

三年后，奇里贝拉想出了一个实现这一想法的具体计划，于是沃尔特、布鲁克纳和他的同事们在实验室里将其付诸实践。该团队使用了一系列波片和半反射镜。这些器件形成逻辑门A和B，可以控制光子的偏振方向。控制开关位可以确定光子是通过AB还是BA，或者AB和BA的叠加。一旦研究人员测量出光子首先穿过哪个门，穿过门的序列的叠加态就会被破坏。

2016年，瓦尔特的团队设计了一种实验方法，允许研究人员在光子通过两个逻辑门时进行测量，而不会立即改变观察者对光子的理解。他们让光子自己携带测量值，但没有立即读取。因为光子在穿过整个光路之前不会被检测器检测到，所以观察者直到此时才知道光子携带的测量结果，所以他们不能利用光子携带的信息来推断光子穿过逻辑门的顺序。

该团队证实，只要观察者不知道测量结果，测量就不会破坏因果叠加状态。沃尔特说:“我们一直等到整个实验完成，然后提取测量结果。在光子飞行期间，测量结果和测量时间是未知的，但它们仍然会影响最终结果。”

一些研究小组也在进行因果不确定性实验。例如，来自滑铁卢大学和加拿大圆周理论物理研究所的研究小组已经创造了一种量子电路，它可以操纵光子态来获得不同的因果混合态。

在实验中，光子先后通过门a和门b，但光子的状态取决于两种不同因果逻辑的混合:要么门a的功能决定门b的功能，要么门a和门b的功能分别由其他事件决定——这就像高温天气会增加晒伤病例和冰淇淋销售，但晒伤和冰淇淋之间没有直接的因果关系。滑铁卢大学的实验结论与维也纳大学的一致:人们不能根据最终测量的光子状态来判断先前事件之间的因果关系。

宇宙中的“大和谐”

然而，研究因果关系更重要的目标是理论发展。量子因果关系可能成为探索物理学中最困难问题的起点，例如:量子力学从何而来？

量子理论似乎总是有点站不住脚。尽管薛定谔方程可以对许多量子实验的结果给出非常精确的预测，但是物理学家仍然不能就这个方程的物理意义达成一致，因为根本的物理原理是未知的。

在过去的20年里，包括布鲁克纳在内的一些物理学家和数学家试图通过“量子重构”找到理解量子物理的关键线索:从一些简单的公理出发，研究量子力学系统的固有特性，如叠加、纠缠等。，都是推断出来的。

"因果模型的框架为这些问题提供了新的视角."奥地利因斯布鲁克大学的物理学家卡特贾里德说。他曾与滑铁卢大学的研究团队合作，开发了一个能够准备因果不确定性的实验系统。“如果量子理论是关于自然如何处理和分配信息的理论，那么研究不同事件之间的相互作用可能会揭示信息处理过程中遵循的规律。”

如果我们能把量子理论和广义相对论结合起来，量子因果关系可能会发挥更大的作用。“在广义相对论中，因果结构起着非常关键的作用。那么，因果关系如何展示它的量子面呢？”里德说。

“当我们试图理解量子力学时，我们经常想保留一些经典物理的概念，比如粒子轨道。”布鲁克纳说，然而，历史告诉人们，在这个时候，我们需要超越旧思想的新观念，例如，以一种新的方式理解因果关系定律。"当你有颠覆性的理论时，你必须用更具颠覆性的思维去理解它."

(唐毅宸编译)

中国科学新闻(2017-08-07第三版国际版)