這個量子實驗如何顛覆了因果律？

原文以How quantum trickery can scramble cause and effect為標題

發布在2017年6月28日的《自然》新聞專題上

原文作者：Philip Ball

量子實驗挑戰我們熟知的因果邏輯，甚至修改「時間」的概念。

愛因斯坦在散步的時候，要穿過兩扇門。他先穿過一道綠門，然後穿過一道紅門；或者他也可以先穿過紅門，再穿過綠門。兩種選擇，非此即彼。按照一般的思維，他通過這兩扇門時一定有先後次序，對吧？

但如果愛因斯坦是乘著維也納大學Philip Walther的實驗室的光子飛行的話，或許情況就沒那麼簡單了。Walther的研究組證明，當光子在實驗室內高速飛行時，是無法判斷它們以哪種次序通過兩道門的。這並非因為他們丟失或破壞了次序信息，而是因為這個信息根本就不存在！在Walther的實驗中，事件發生並沒有明確的先後順序。

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Edgar B?K

2015年的這一發現讓科學家意識到，量子世界比他們之前認為的更加匪夷所思。Walther的實驗打破了「一件事導致了另一件事」的因果邏輯，這就像之前物理學家攪亂時間這個概念，讓人感覺它能同時向兩個方向流逝。

若用日常的思維來理解，這簡直就是胡扯。但在量子理論的數學體系中，因果關係上的模糊性是完全符合邏輯且自洽的。研究人員還認為，利用人為製造的因果關係模糊的物理系統，他們能夠探索更多的可能性。有人提出，非因果系統可以進一步推動頗具潛力的量子計算的發展。香港大學的量子理論學家Giulio Chiribella 說：「如果有不受因果規律限制的量子計算機，那麼它就有可能在解決某些問題時比傳統量子計算機速度更快。」

更重要的是，思考量子力學的「因果結構」——事件發生的先後順序——或許更能幫助我們接受並最終適應量子理論。目前，我們在理解量子物理的時候，總是把光子描述成一種既是波又是粒子的物質，總是把事件描述成被不確定性籠罩著的一團模糊，但這樣的語言十分拗口，不便理解。

此外，由於因果律是關於物體之間如何通過時空產生相互作用的規律，這種新的視角或許能夠幫助我們結合物理學的兩大理論基石——量子力學與廣義相對論，並解決當今物理學最大的挑戰之一。Walther的合作者、維也納的量子光學與量子信息研究所的理論物理學家?aslav Brukner說：「因果關係處於量子力學與廣義相對論的交界處，因此有可能成為我們探索如何融合兩大理論的切入點。」

時間的混亂

20世紀30年代中期，愛因斯坦對由尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡提出的量子力學的隨機性提出質疑。自此，因果性就一直是量子力學中的一個關鍵問題。玻爾與海森堡提出的哥本哈根詮釋堅持認為，量子測量（比如測量一個線偏振光子的偏振方向）的結果是隨機的，並且只可能決定於測量的瞬間。我們完全無法解釋為何出現這個測量結果。但是在1935年，愛因斯坦和同事鮑里斯·波多爾斯基、內森·羅森（根據其姓氏首字母，合稱EPR）提出了一個著名的思想實驗。他們將玻爾對量子力學的解釋推到了一個貌似不合理的位置。

EPR的思想實驗中有A、B兩個粒子，它們處於相互依賴的狀態，也就是「糾纏態」。這裡我們用自旋來舉一個糾纏態的例子。自旋是粒子的一種量子特性，你可以把它想像成磁鐵定向。對於A、B兩個粒子，如果 A的自旋朝上，則B的自旋一定朝下，反過來如果 A的自旋朝下，則B的自旋一定朝上。

這兩種定向都是可能的。但是研究人員只有對其中一顆粒子進行測量，才能確定兩個粒子究竟處於什麼樣的自旋狀態。根據哥本哈根詮釋，測量不僅讓我們獲知粒子的狀態，還會使得粒子「固定」在我們所測得的狀態。這也意味著，與這顆粒子同處於糾纏態的另一顆粒子——不論它們相距多遠——其狀態也在瞬間固定。但是，愛因斯坦不能接受這種跨越遙遠距離而瞬間發生的相互作用（即「超距作用」），因為這意味著相互作用的傳遞速度超過光速，這有悖狹義相對論。愛因斯坦堅信，這一實驗證明了哥本哈根詮釋存在缺陷，他還認為在測量之前，A、B粒子必定已經有了明確的狀態。

然而，對糾纏態粒子的測量證明粒子自旋之間的關聯性無法用粒子的已有屬性來解釋，但同時這些關聯又不違背狹義相對論，因為粒子的運動速度不可能超過光速。那這種關聯是怎樣產生的呢？這確實很難用直觀的因果關係來解釋。

乍看上去，哥本哈根詮釋保留有正常的時序邏輯：測量所造成的影響並不會在測量之前發生。如果事件A要對事件B產生影響的話，那麼A一定要先於B而發生。然而，最近十年間，隨著研究人員意識到在特定的量子情境中我們無法判斷關聯事件中究竟是何者發生在前，這個邏輯開始動搖了。

在經典物理中不可能有這樣的情境。就算我們不知道AB誰先發生，它們中必定有一個先發生，一個後發生。而在量子物理中，不確定性並非缺乏認識；而是從根本上禁止在測量之前宣布「事物的真實狀態」的行為。

模稜兩可的粒子運動

Brukner的研究團隊、Chiribella的研究團隊等許多物理學家已經開始初步嘗試探索量子力學中模稜兩可的因果關係。他們精心設計了相互關聯的事件A與事件B，但是沒人能判斷究竟是A先發生，導致了B（亦即A是B的「原因」），還是B先發生，導致了A。實驗中，A與B之間能共享信息，但是一旦A、B之間存在明確的因果關係，共享過程便會結束。也就是說，正是由於A、B之間沒有確定的因果順序，研究人員才能夠用量子系統做一些超出常規的事。

研究人員用的技巧是製備一種特殊的量子「疊加態」。量子的疊加態很著名：比如，粒子自旋可以處於「自旋向上」與「自旋向下」的疊加態，我們剛剛介紹的EPR實驗中的兩種自旋就是處於疊加態，而且那個例子中涉及到的是兩個粒子。我們常常說，一個疊加態的量子物體就是同時處於兩種不同的狀態，但更準確地講，其實是我們不能預先判斷測量的結果是什麼。這兩個可觀測狀態可以被當作量子比特（qubit）的二進位狀態。量子比特便是構成量子計算機的基本單元。

研究者進一步拓展這個概念，製造出了因果關係的疊加態。這時，疊加在一起的兩種狀態代表的是事件的兩種時序：一種是粒子先經過A門，再經過B門，於是A門輸出的粒子狀態便會影響B門的輸入狀態；另一種則相反。

2009年，Chiribella與合作者提出了一個設計這種實驗的理論構想，用一個量子比特（控制比特）做開關，控制一個粒子（相當於第二個量子比特）所經歷的事件之間的因果順序。當控制比特處於0狀態時，粒子就先經過A門再經過B門。當控制比特處於1狀態時，粒子就先經過B門再經過A門。但如果控制比特處在0和1的疊加態，那麼另一個量子比特將會經歷兩種次序的因果疊加——也就是說，粒子穿越兩道門時並沒有明確的順序。

Nik Spencer/Nature

三年之後，Chiribella提出了實現這一想法的具體方案，於是，Walther、Brukner和同事在實驗室中將這一想法付諸實踐。維也納實驗團隊用到一系列波片（可以改變光的偏振方向的晶體）和半反射鏡（可以反射一部分光、通過一部分光），這些裝置構成了可以操控光子偏振方向的邏輯門A和B。控制比特可以決定光子經過的順序是AB還是BA，或者是AB與BA的疊加。當然，一旦我們去測量光子先經過了哪個門，穿越門的順序的疊加態也就被破壞了。

在實驗中演示了因果不確定性之後，維也納大學的這個研究團隊還想更進一步。他們已經成功的製備出了因果關係的量子疊加態，這種狀態無法明確光子穿越兩道門的順序是AB還是BA。但研究者提出他們是否有可能在光子穿行多道門的過程中對光子進行監視，而同時又不破壞因果關係的不確定性？

從表面上來看，這似乎與保持疊加狀態取決於不對其進行測量的理論相悖。但研究者現在已經意識到，量子力學中，觀察者的行為並非關鍵——關鍵乃是觀察者獲知的信息。

2016年，Walther團隊設計了一種實驗方法，允許研究者在光子經過兩個邏輯門的過程中對其進行測量，而又不會立即改變觀察者對它的認識。具體做法是讓光子自身攜帶測量結果，但研究者不對其即時讀取。光子在經過整個光路後才會被探測器探測到，觀察者直到此時才能獲知光子攜帶的測量結果，因此他們無法利用光子攜帶的信息來推斷光子經過邏輯門的順序。這就好比別人在旅行途中記錄自己的感受，等到旅行歸來再與你分享這些記錄，你是沒辦法根據這些信息來推測他具體是在何時何地記錄下這些文字的。

Walther團隊證實，只要觀察者不知道測量結果，那麼測量就不會破壞因果疊加態。Walther說：「我們等到整個實驗過程進行完畢，才提取測量的結果。光子飛行途中，測量結果以及測量發生的時間都是未知的，但仍然對最終的結果產生影響。」

還有一些研究組用量子光學也在開展針對因果關係不確定性的實驗。比如，加拿大滑鐵盧大學和圓周理論物理研究所的研究團隊製造了一個可以操控光子狀態的量子線路，以此獲得了不同的因果混合狀態。實驗中，光子先後通過A門、B門，但光子的狀態取決於兩種不同的因果邏輯的混合：要麼是A門的作用決定了B門的作用，要麼是A、B兩門的作用分別由其他事件決定——這就好比，高溫天氣會增加晒傷病例，也會增加冰激凌的銷量，但晒傷與冰激凌之間並沒有直接的因果關係。滑鐵盧大學的實驗結論與維也納大學的實驗結論一致：我們無法根據最終測得的光子狀態判斷先前事件之間的因果關係。

部分實驗提供了傳播信息的新方式。與信號穿越兩個邏輯門的順序相符的因果疊加態意味著兩個信號能同時向對方發送信息。Walther說： 「簡單地講，這就是一種事半功倍的通信方式。」這給我們提供了信息處理的捷徑。

雖然人們早已認識到量子疊加態和糾纏態可以使計算速度呈指數級別增長，但是此前，科學家只對經典的因果結構做過相關實驗。利用量子因果疊加態天然具備的雙向同步通信潛力，我們或許可以進一步提升量子信息處理的速度。在人們提出因果關係疊加態構想之初，其發展前景就十分明朗：圓周理論物理研究所的理論量子物理學家Lucien Hardy與Chiribella的研究團隊各自獨立提出，量子計算機若能擺脫經典的確定性因果關係的限制，其功能或許會更加強大。

2016年，Brukner的研究團隊展示了一項研究成果，他們在包含有多個邏輯門的信息處理協議中添加因果疊加態的捷徑，結果邏輯門之間的信息傳遞效率有了指數級別的增長，這對計算大有好處。Brukner說：「我們還遠未窮盡量子物理之能，還有更多的加速方法需要研究。」

其實，搭建必要的量子線路也不是特別複雜，只要有類似於Walther實驗中所用的量子開關就可以了。「或許我們離實際應用已經不遠了。」Brukner說道。

宇宙的統一體

研究因果論更重大的目標是理論發展。量子因果性或許能夠成為探究物理學中最艱深問題的切入點，比如：量子力學究竟從何而來？

量子理論看起來總是有那麼點站不住腳。雖然薛定諤方程對很多量子實驗的結果都能給出非常準確的預言，但對於這個方程的物理意義，物理學家仍然莫衷一是，因為其背後的物理學原理並不為人所知。過去20年間，包括Hardy和Brukner在內的一些物理學家和數學家試圖通過「量子重構」來找到理解量子物理的關鍵線索：從一些簡單的公理（例如對量子態所含信息可以進行哪些操作）出發，推導出量子力學系統的固有特性，如疊加、糾纏等。

「因果模型的框架提供了看待這些問題的新視角。」Katja Ried說。他是奧地利因斯布魯克大學的物理學家，曾經與滑鐵盧大學的研究組合作，開發了一套能夠製備因果不確定狀態的實驗系統。「如果量子理論是一個關於大自然如何處理、分配信息的理論，那麼深究不同事件之間的相互影響，或許可以揭示信息處理過程所遵循的規律。」

如果能夠結合量子理論與廣義相對論（解釋了重力），量子因果性或許能夠發揮更大的作用。「在廣義相對論中，因果結構起到了非常關鍵的作用。這啟發我們思考，因果性如何能夠表現出其量子的一面呢？」Ried說。

Brukner說：「我們在試圖理解量子力學的時候，常常想要保留部分經典物理的思想，比如粒子軌道。」然而歷史告訴我們，這時候我們需要超越舊思維的全新觀念，比如，用全新的方式來理解因果律。「當你有了一個顛覆性的理論時，就必須要有更具顛覆性的思維來理解它。」

Naturedoi:10.1038/546590a

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