連因果關係都能顛覆,量子物理的奇異性超出想像

（原標題：連因果關係都能顛覆，量子物理的奇異性超出想像）

量子物理實驗挑戰了我們所熟知的因果邏輯，甚至會動搖「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？

但如果是在維也納大學Philip Walther的實驗室裡，如果愛因斯坦能夠乘著光子飛行的話，或許情況就沒那麼簡單了。Walther的研究組讓光子在實驗室內高速飛行，在此過程中無法判斷它們是以什麼樣的次序通過兩道門的。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，我們無法明確定義事件的先後順序。

2015年的這一發現，讓科學家意識到，量子物理要比他們此前的理解更加匪夷所思。Walther的實驗向「一件事導致了另一件事」的因果邏輯發起了挑戰，仿佛是物理學家攪亂了時間這個概念本身，讓時間向兩個方向流逝。

如果用日常的思維來理解，那這簡直就是胡扯。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，我們便可以探索更加廣闊的物理領域。有人提出，非因果系統可以用於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：「如果量子計算機能夠不受因果規律的限制，那麼它就有可能在解決某些問題時比經典計算機速度更快。」

更重要的是，理解量子力學的「因果結構」，釐清事件之間是否存在先後順序，或許有助於我們接受量子理論、形成量子直覺。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，總是認為事件被不確定性籠罩著，但這樣的語言還是十分拗口。

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邁向量子力學與廣義相對論的統一理論。量子力學與廣義相對論是現代物理學的兩大基石，而兩者之間互不相容，這也構成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Časlav Brukner說：「因果關係恰好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統一理論的切入點。」

混亂的時間

20世紀30年代，尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡將隨機性引入量子理論，而愛因斯坦多次對此提出質疑。自此，因果性就是一直量子力學中的一個關鍵問題。玻爾與海森堡構建的量子力學哥本哈根詮釋堅持認為，量子測量，例如測量一個線偏振光子的偏振方向，其結果是隨機的，並且只在測量的瞬間才被決定下來，我們也完全無法解釋為何出現這個測量結果。1935年，愛因斯坦和他的助手鮑裡斯·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。他們利用玻爾對量子力學的解釋，推導出了一個貌似不可能的結論。

EPR的思想實驗中，A、B兩個粒子處於相互影響的狀態，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，你可以把它想像成一個小磁鐵，磁鐵的N極就是自旋所指的方向。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。

在這樣的糾纏態中，我們只有進行測量，才能夠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。而對於糾纏態的粒子，不論它們相距多遠，對A的測量在固定了A的狀態的同時，也固定了B的狀態，仿佛在測量的瞬間，A與B之間產生了某種相互作用。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，違背了狹義相對論。愛因斯坦堅信，這一悖論源於哥本哈根解釋不夠完備。在測量之前，A、B粒子必定已經有了明確的狀態。

然而，隨著實驗手段的進步，科學家對糾纏態粒子進行實際測量後發現，粒子之間的關聯性無法用「粒子的狀態在測量前就已經確定」來解釋，但同時這種關聯性又不違背狹義相對論，因為它並不能傳遞信息，不會導致信息超光速。那這種關聯是怎樣產生的呢？這確實很難用符合我們直覺的因果關係來解釋。

乍看上去，哥本哈根詮釋至少還保留有正常的時序邏輯：一次測量並不會影響到測量之前所發生的事件。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，這個最基本的時序邏輯也開始動搖。研究人員已經構想出了特定的量子情境，以至於我們無法判斷關聯事件中究竟是何者發生在前。

在經典物理中不可能有這樣的情境。就算我們不知道甲乙誰先發生，它們也必定有一個先發生，一個後發生。而在量子物理中，不確定性不是由於我們沒有獲取足夠的信息；這是一種根本上的不確定性，在測量之前根本就不存在所謂的「實際狀態」。

模稜兩可的因果關係

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，包括Brukner的研究團隊、Chiribella的研究團隊等。他們精心設計了實驗，其中包含相互關聯的事件A與事件B，而我們無法判斷究竟是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共同包含一定的信息，而信息的這種存在形式，與A、B之間明確的因果關係是互斥的。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。

為了實現這一點，研究人員需要製備某種特殊的量子疊加態。一個粒子可以處於「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。我們常常將疊加態的物體描述為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之後究竟會得到哪個狀態。這兩個互相疊加的可觀測狀態可以用來做二進位的數位，構成一個量子比特（qubit）。量子比特便是構成量子計算機的基本單元。

研究者將一般的疊加態概念進一步拓展，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：一個是粒子先經過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；另一種則是先經過B，再經過A。

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（相當於另外一個量子比特）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，粒子就順次經過B門和A門。這時，如果我們將控制比特製備到0和1的疊加態，則另一個量子比特將會處於兩種次序的疊加態，因而構成了因果關係的疊加。

三年之後，Chiribella提出了實現這一想法的具體方案，Walther、Brukner和同事則在實驗室中將這一想法付諸實踐。實驗中用到一系列波片（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，對於處於因果疊加態的光子，一旦我們測量它先經過了哪個門，這種疊加態也就被破壞了。

在成功地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，無法判斷究竟是A導致B，還是B導致A。但我們是否有可能在光子穿行邏輯門的過程中對光子進行觀察，而又不破壞因果疊加性呢？

直覺上，這似乎與「測量破壞量子疊加態」相悖。但研究者現在已經意識到，量子力學中，觀察者的行為並不是最關鍵的——最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，可以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已知的信息。具體做法，是讓光子自身攜帶這個測量結果，而不立即提取。光子在經過整個光路後才會被探測器接收到，觀察者直到此時才能獲知光子攜帶的測量結果，因此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。

最終，Walther團隊證實，只要觀察者不知道具體的測量結果，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，才提取了途中測量的結果。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了影響。」

還有一些研究組也在用量子光學的方法在實驗中研究因果關係的不確定性。在加拿大，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，以此獲得了另一種因果混合狀態。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兩門的作用共同由其他事件決定——這就好比，高溫天氣會增加曬傷病例，也會增加冰激凌的銷量，但曬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。

基於這些挑戰因果直覺的實驗，我們或許能夠開發出新的通信方式。光子作為一個信號，其經過兩個邏輯門的順序是疊加態，這可以視為兩者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。」也許，這當中還暗藏著信息處理的捷徑。

人類早已了解到，量子疊加態和糾纏態可以用來對某些特定的計算做指數級別的加速，但這裡涉及的都是經典的因果結構。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，圓周理論物理研究所的理論量子物理學家Lucien Hardy與Chiribella的研究團隊就已經各自獨立提出，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，他們利用因果疊加態的捷徑，使得包含有多個邏輯門的信息處理協議的效率有了指數級別的提高。Brukner說：「我們還遠未窮儘量子物理之能，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。

統一的宇宙

研究因果論，更重要的意義在於理論本身。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？

量子理論看起來似乎是人類為了解釋物理現象而精心雕飾出來的理論。薛丁格方程對於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。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，哪些操作是允許的，又有哪些是不行的）出發，推導出量子力學系統的某些特性，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。」

在尋找量子理論與廣義相對論的統一理論時，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，這種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，經常會保留部分經典物理的思維，比如『粒子軌道』就是一個經典概念。」然而回顧量子物理的發展史，其實往往需要提出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，就必須要有更加顛覆性的思維才能夠理解它。」

撰文Philip Ball

翻譯 趙昌昊

審校 韓晶晶

本文來源：《科學美國人》中文版《環球科學》 責任編輯：郭浩_NT5629