北京師范大學(xué) 王川 編譯自 Hamish Johnston.

Physics World

本文選自《物理》2025年第11期

因果概念在我們的日常生活和物理學(xué)中都扮演著重要角色。如果你把一個(gè)球放在窗前并用力踢它，一瞬間球會(huì)擊中窗戶并打碎它。我們觀察到的世界并非窗戶自行破碎，從而導(dǎo)致球被踢出——那似乎相當(dāng)荒謬。換句話說，“先踢球后擊碎窗戶”和“先擊碎窗戶后踢球”是兩個(gè)不同的物理過程，各自具有唯一且確定的因果順序。

但是，確定的因果順序在量子世界(一個(gè)位置和時(shí)間等概念都可能模糊不清的世界)中也同樣占據(jù)統(tǒng)治地位嗎？大多數(shù)物理學(xué)家樂于接受薛定諤貓的悖論——這是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：一只藏在盒子里的貓?jiān)谀愦蜷_盒子查看之前，同時(shí)處于既死又活的狀態(tài)。薛定諤的貓闡釋了“疊加”這一量子概念，即一個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)處于兩種或多種狀態(tài)。只有當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)(通過打開盒子)，系統(tǒng)才會(huì)坍縮到其可能狀態(tài)之一。另外，兩個(gè)(或更多)因果關(guān)系不同的過程能否在量子世界中同時(shí)發(fā)生呢？或許令人震驚，答案是肯定的，這種悖論性的現(xiàn)象被稱為“不確定因果順序”。

恒星疊加與時(shí)間順序

事實(shí)證明，不同的因果過程也可以存在于疊加態(tài)中。一個(gè)例子是名為“引力量子開關(guān)”的思想實(shí)驗(yàn)，由昆士蘭大學(xué)的Magdalena Zych及其同事于2019年提出。這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及我們熟悉的量子觀察者Alice和Bob，他們處在一個(gè)非常大質(zhì)量的天體(例如恒星)附近。Alice和Bob最初擁有同步的時(shí)鐘，在量子世界中，這些時(shí)鐘本應(yīng)以相同的速率運(yùn)行。然而，愛因斯坦的廣義相對(duì)論指出，時(shí)間流逝的速率受到Alice和Bob附近物質(zhì)分布的影響。這意味著，如果Alice比Bob更靠近恒星，那么她的時(shí)鐘將比Bob的走得慢，反之亦然。

如同薛定諤的貓一樣，量子力學(xué)允許恒星處于空間狀態(tài)的疊加；這意味著在一種狀態(tài)下，Alice比Bob更靠近恒星，而在另一種狀態(tài)下，Bob比Alice更靠近恒星。換句話說，這是“Alice的時(shí)鐘比Bob的慢”的狀態(tài)與“Bob的時(shí)鐘比Alice的慢”的狀態(tài)的疊加。Alice和Bob都被告知他們將在特定時(shí)間(比如中午)收到一條信息，然后他們會(huì)將這條信息傳遞給對(duì)方。如果Alice的時(shí)鐘比Bob的快，她將先收到信息，然后傳給Bob，反之亦然。這種“Alice到Bob”與“Bob到Alice”的疊加，就是不確定因果順序的一個(gè)例子。

現(xiàn)在，你可能會(huì)想“那又怎樣”，因?yàn)檫@似乎是個(gè)微不足道的例子。但如果你把信息換成像光子這樣的粒子，并讓Alice和Bob對(duì)該光子執(zhí)行不同的操作，這就變得更有趣了。如果這兩個(gè)操作不對(duì)易，例如在

X

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很像薛定諤的貓，引力量子開關(guān)目前還無法在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。但是，永遠(yuǎn)別說不可能。物理學(xué)家已經(jīng)能夠創(chuàng)建一些思想實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，所以誰也不知道未來會(huì)帶來什么。確實(shí)，引力量子開關(guān)可能為引力量子描述提供重要信息——這是自20世紀(jì)初量子力學(xué)和廣義相對(duì)論發(fā)展以來一直困擾著物理學(xué)家的問題。

開關(guān)與疊加

轉(zhuǎn)向更實(shí)際的不確定因果順序?qū)嶒?yàn)，物理學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建并測(cè)試了基于光子的量子開關(guān)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，不是由恒星的位置決定Alice還是Bob誰先行動(dòng)，而是由一個(gè)可以取值為0或1的二能級(jí)量子態(tài)來決定。如果這個(gè)控制態(tài)是0，則Alice先行動(dòng)；如果控制態(tài)是1，則Bob先行動(dòng)。關(guān)鍵在于，當(dāng)控制態(tài)處于0和1的疊加態(tài)時(shí)，系統(tǒng)就表現(xiàn)出不確定因果順序，如圖所示。

不確定因果順序。在量子開關(guān)的例子中，光子(駕駛汽車)可能面對(duì)確定的因果順序(上方兩圖)和不確定的因果順序(下圖)

第一個(gè)這樣的量子開關(guān)是由Lorenzo Procopio (現(xiàn)就職于德國帕德博恩大學(xué))及其在維也納量子科學(xué)與技術(shù)中心的同事于2015年創(chuàng)建。他們的量子開關(guān)工作時(shí)首先向分束器發(fā)射一個(gè)光子，從而使光子進(jìn)入一個(gè)疊加態(tài)：光子直接穿過分束器(表示狀態(tài)0)，光子被偏轉(zhuǎn)90°(表示狀態(tài)1)。這種空間疊加就是量子開關(guān)的控制態(tài)，扮演著引力量子開關(guān)中恒星的角色。

狀態(tài)0的光子首先到達(dá)Alice的裝置，在那里沿特定方向(比如

X

Z

由于“先Alice后Bob”對(duì)光子的影響與“先Bob后Alice”不同，重新組合的光子之間會(huì)發(fā)生干涉。通過系統(tǒng)地改變實(shí)驗(yàn)的某些方面，例如，改變Alice的旋轉(zhuǎn)方向或入射光子的偏振，可以研究這種干涉現(xiàn)象。

2017年，當(dāng)時(shí)在維也納量子科學(xué)與技術(shù)中心的量子信息研究人員Giulia Rubino與Procopio及其同事合作，使用“因果見證者”驗(yàn)證了他們量子開關(guān)中的不確定因果順序。這涉及對(duì)量子開關(guān)進(jìn)行一系列特定的實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算一個(gè)數(shù)學(xué)實(shí)體(即因果見證者)，該實(shí)體能夠揭示系統(tǒng)具有確定的還是不確定的因果順序。果然，該測(cè)試表明他們的系統(tǒng)確實(shí)具有不確定因果順序。自那時(shí)起，來自不同實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家已陸續(xù)成功創(chuàng)建了他們自己的量子開關(guān)。

計(jì)算加速？

雖然這種效應(yīng)可能仍然顯得有些深?yuàn)W，但在2019年，由中國物理學(xué)家潘建偉帶領(lǐng)的一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)通過研究發(fā)現(xiàn)，量子開關(guān)對(duì)于在雙方之間進(jìn)行的分布式計(jì)算非常有用。在分布式計(jì)算中，數(shù)據(jù)串被接收后由Alice處理，隨后將處理結(jié)果傳遞給Bob進(jìn)行進(jìn)一步處理。研究人員通過使用光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與沒有不確定因果順序的系統(tǒng)相比，不確定因果順序在處理更長(zhǎng)數(shù)據(jù)串時(shí)的速率實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級(jí)加速。

物理學(xué)家們也在探索不確定因果順序是否可以用于增強(qiáng)量子計(jì)量學(xué)。牛津大學(xué)的Giulio Chiribella及其同事最近的計(jì)算表明，與涉及確定因果順序態(tài)的技術(shù)相比，不確定因果順序可能獲得精度的顯著提高。

雖然可能還有其他應(yīng)用，但通常很難確定不確定因果順序是否能為某個(gè)特定問題提供最佳解決方案。例如，物理學(xué)家曾認(rèn)為量子開關(guān)在噪聲信道通信方面具有優(yōu)勢(shì)，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)，某些具有確定因果順序的Alice和Bob配置與不確定因果順序的效果一樣好。

除了量子開關(guān)之外，還有其他類型的電路也能夠顯示不確定因果順序。這些包括“具有因果順序量子控制的量子電路”，由于它們的復(fù)雜性，尚未在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。盡管在創(chuàng)建不確定因果順序系統(tǒng)并證明其優(yōu)于其他解決方案方面存在挑戰(zhàn)，不確定因果順序看起來注定將加入疊加和糾纏等其他奇異現(xiàn)象的行列，并在量子技術(shù)中找到實(shí)際應(yīng)用。

來源：中國物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)

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