在悠閑的漫步中，阿爾伯特·愛因斯坦會經(jīng)過兩扇關(guān)閉的門扉。他先是穿過綠色的門扉，隨后穿越紅色的門扉。
或者，他可以反向行進，先進入紅色門扉，然后跨過綠色門扉。兩種選項，只能二選其一。根據(jù)常理，他在穿越這兩扇門時無疑會有先后次序，對嗎？
然而，在維也納大學的菲利普·沃爾特實驗室，假設(shè)愛因斯坦能以光子的速度移動，情形可能會大不相同。
2015年的一項研究讓科學家們驚覺，量子物理的奇異之處遠超他們之前的認知。
沃爾特的實驗對“一事件導致另一事件”的傳統(tǒng)因果邏輯發(fā)起挑戰(zhàn)，仿佛物理學家們正在時間的洪流中攪動混沌，讓時間沿著兩個方向流轉(zhuǎn)。
用日常邏輯來解讀這樣的實驗，無疑是荒謬的。但在量子力學的數(shù)學體系中，因果關(guān)系的模糊性卻符合邏輯，自成一體。
科學家們推測，利用人造的、因果關(guān)系模糊的物理系統(tǒng)，我們有可能拓展探索物理世界的邊界。有人提出，非因果系統(tǒng)可以用于推動潛力巨大的量子計算發(fā)展。
香港大學的量子物理學家朱利奧·奇里貝拉表示：“如果量子計算機不受因果規(guī)律的限制，它就可能在解決某些問題時比經(jīng)典計算機速度更快?！?/p>
更重要的是，理解量子力學的“因果結(jié)構(gòu)”，梳理事件間的先后順序，或許能幫助我們更好地接受量子理論，培養(yǎng)量子直覺。
目前，在量子物理的理解上，我們總是將光子描述為既具有波動性又具有粒子性的物質(zhì)形態(tài)，我們總認為事件被不確定性所籠罩，但這種描述依然頗為復雜。
此外，因果律是關(guān)于物體間通過時空相互作用的規(guī)律，這種新視角或許能助力我們邁向量子力學與廣義相對論的統(tǒng)一理論。
量子力學與廣義相對論是現(xiàn)代物理學的兩大支柱，然而它們彼此矛盾，這構(gòu)成了當前物理學的一大挑戰(zhàn)。
20世紀30年代，尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡將不確定性引入量子理論，遭到愛因斯坦多次質(zhì)疑。從此，因果性成為量子力學中核心議題。
玻爾與海森堡構(gòu)建的哥本哈根詮釋堅持，量子測量，例如測量一個偏振光子的偏振方向，其結(jié)果是隨機的，且在測量的瞬間才確定，我們無法對此作出解釋。
1935年，愛因斯坦和他的助手波多爾斯基與羅森（簡稱EPR）提出了一個著名的思想實驗。他們利用玻爾對量子力學的解釋，得出了一個看似不可能的結(jié)論。
在EPR的思想實驗中，A、B兩個粒子處于糾纏狀態(tài)，即“糾纏態(tài)”。糾纏態(tài)中，我們只有通過測量才能確定兩個粒子的具體狀態(tài)。根據(jù)哥本哈根詮釋，測量不僅揭示了粒子的狀態(tài)，也“固定”了該狀態(tài)。
無論糾纏態(tài)的粒子相距多遠，對A的測量固定A狀態(tài)的同時，也固定了B狀態(tài)，仿佛在測量的瞬間，A與B之間產(chǎn)生了某種作用。
愛因斯坦無法接受這種“超距作用”，因為它意味著相互作用速度超過了光速，違背了狹義相對論。愛因斯坦堅信，這種悖論是由于哥本哈根解釋的不完善所致。在測量之前，A、B粒子應(yīng)有明確狀態(tài)。
但隨著實驗技術(shù)的進步，科學家發(fā)現(xiàn)，粒子之間的關(guān)聯(lián)性無法用“粒子狀態(tài)在測量前已確定”來解釋。但這種關(guān)聯(lián)性并不違反狹義相對論，因為它不傳遞信息，不會導致信息超光速傳播。那么，這種關(guān)聯(lián)性是如何產(chǎn)生的呢？它很難用我們直覺中的因果關(guān)系來解釋。
乍一看，哥本哈根詮釋至少還保留了正常的時序邏輯：一次測量不會影響到測量之前發(fā)生的事件。如果A要影響B(tài)，A必須先于B發(fā)生。然而，最近十年來，這種基本時序邏輯也開始動搖。
科學家們設(shè)想了特定的量子場景，使我們無法確定關(guān)聯(lián)事件中哪個在前哪個在后。在經(jīng)典物理中，雖然我們可能不知道甲乙哪個先發(fā)生，但它們必定一前一后。
但在量子物理中，這種不確定性并非因為我們沒有獲取足夠信息，而是一種根本上的不確定性，在測量之前不存在所謂的“實際狀態(tài)”。
2016年，沃爾特團隊設(shè)計了一種實驗，在光子經(jīng)過邏輯門的過程中進行測量，而不會立即改變已知信息。具體做法是，讓光子攜帶測量結(jié)果，直至最后才被探測器接收。觀察者只有在光子被探測器接收后，才能獲知其攜帶的測量結(jié)果，從而無法利用這些信息推斷光子經(jīng)過邏輯門的順序。
這就像有人在旅行中記錄感受，等旅行結(jié)束再分享這些記錄，你無法根據(jù)這些信息推測他具體在何時何地記錄。
最終，沃爾特團隊證實，只要觀察者不知道具體測量結(jié)果，測量就不會破壞因果疊加態(tài)。沃爾特說：“我們等待實驗結(jié)束后，才提取途中測量的結(jié)果。在光子飛行過程中，測量結(jié)果和測量發(fā)生的時間都是未知的，但仍對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。”還有其他研究組也在用量子光學方法在實驗中探討因果關(guān)系的不確定性。
加拿大滑鐵盧大學的研究團隊與圓周理論物理研究所制造了一個能操控光子狀態(tài)的量子線路，獲得了另一種因果混合狀態(tài)。實驗中，光子先后經(jīng)過A門、B門，但其狀態(tài)取決于兩種不同因果邏輯的混合；要么是A門的作用決定了B門的作用，要么A、B兩門的作用共同由其他事件決定。
滑鐵盧大學的實驗結(jié)論與維也納大學一致：我們無法根據(jù)最終測得的光子狀態(tài)判斷先前事件之間的因果關(guān)系。
基于這些挑戰(zhàn)因果直覺的實驗，我們或許能開發(fā)新的通信方式。光子作為信號，其經(jīng)過兩個邏輯門的順序是疊加態(tài)，可以看作兩者同時向?qū)Ψ桨l(fā)送信息。
簡單來說，這是一種事半功倍的通信方式，或許還隱藏了信息處理的捷徑。
人類早已知道，量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)可以用來對某些特定計算做指數(shù)級別的加速，但這些涉及的都是經(jīng)典因果結(jié)構(gòu)。
利用量子因果疊加態(tài)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速度。顛覆性的理論需要顛覆性的思維來理解。
熱門跟貼