連因果關(guān)系都能顛覆，這個(gè)量子實(shí)驗(yàn)?zāi)嫣炝?/h3>
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2017年9月13日 17:12 本文熱度 7737 |
量子物理實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)了我們所熟知的因果邏輯，甚至?xí)?dòng)搖“時(shí)間”的概念。
撰文 Philip Ball
翻譯 趙昌昊
審校 韓晶晶
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制圖：Edgar BąK
愛因斯坦在散步的時(shí)候，要穿過兩扇門。他先穿過一道綠門，然后穿過一道紅門；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(shí)一定有先后次序，對(duì)吧？
但如果是在維也納大學(xué) Philip Walther 的實(shí)驗(yàn)室里，如果愛因斯坦能夠乘著光子飛行的話，或許情況就沒那么簡單了。Walther 的研究組讓光子在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)高速飛行，在此過程中無法判斷它們是以什么樣的次序通過兩道門的。這并非因?yàn)樗麄儊G失或破壞了次序信息，而是因?yàn)檫@個(gè)信息根本就不存在！在 Walther 的實(shí)驗(yàn)中，我們無法明確定義事件的先后順序。
2015 年的這一發(fā)現(xiàn)，讓科學(xué)家意識(shí)到，量子物理要比他們此前的理解更加匪夷所思。Walther 的實(shí)驗(yàn)向“一件事導(dǎo)致了另一件事”的因果邏輯發(fā)起了挑戰(zhàn)，仿佛是物理學(xué)家攪亂了時(shí)間這個(gè)概念本身，讓時(shí)間向兩個(gè)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(shù)學(xué)體系中，因果關(guān)系上的模糊性是完全符合邏輯且自洽的。研究人員還認(rèn)為，利用人為制造的因果關(guān)系模糊的物理系統(tǒng)，我們便可以探索更加廣闊的物理領(lǐng)域。有人提出，非因果系統(tǒng)可以用于推動(dòng)頗具潛力的量子計(jì)算的發(fā)展。香港大學(xué)的量子理論學(xué)家 Giulio Chiribella 說：“如果量子計(jì)算機(jī)能夠不受因果規(guī)律的限制，那么它就有可能在解決某些問題時(shí)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)速度更快?！?/span>
更重要的是，理解量子力學(xué)的“因果結(jié)構(gòu)”，厘清事件之間是否存在先后順序，或許有助于我們接受量子理論、形成量子直覺。目前，我們?cè)诶斫饬孔游锢淼臅r(shí)候，總是把光子描述成一種既是波又是粒子的物質(zhì)，總是認(rèn)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，由于因果律是關(guān)于物體之間如何通過時(shí)空產(chǎn)生相互作用的規(guī)律，這種新的視角或許能夠幫助我們邁向量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的統(tǒng)一理論。量子力學(xué)與廣義相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石，而兩者之間互不相容，這也構(gòu)成當(dāng)今物理學(xué)最大的挑戰(zhàn)之一。Walther 的合作者、維也納的量子光學(xué)與量子信息研究所的理論物理學(xué)家 Časlav Brukner 說：“因果關(guān)系恰好處于量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的交界處，因此有可能成為我們探索統(tǒng)一理論的切入點(diǎn)?！?/span>
混亂的時(shí)間
20 世紀(jì) 30 年代，尼爾斯 · 玻爾和維爾納·海森堡將隨機(jī)性引入量子理論，而愛因斯坦多次對(duì)此提出質(zhì)疑。自此，因果性就是一直量子力學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。玻爾與海森堡構(gòu)建的量子力學(xué)哥本哈根詮釋堅(jiān)持認(rèn)為，量子測(cè)量，例如測(cè)量一個(gè)線偏振光子的偏振方向，其結(jié)果是隨機(jī)的，并且只在測(cè)量的瞬間才被決定下來，我們也完全無法解釋為何出現(xiàn)這個(gè)測(cè)量結(jié)果。1935 年，愛因斯坦和他的助手鮑里斯 · 波多爾斯基、內(nèi)森 · 羅森（根據(jù)其姓氏首字母，合稱 EPR）提出了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)。他們利用玻爾對(duì)量子力學(xué)的解釋，推導(dǎo)出了一個(gè)貌似不可能的結(jié)論。
EPR 的思想實(shí)驗(yàn)中，A、B 兩個(gè)粒子處于相互影響的狀態(tài)，也就是“糾纏態(tài)”。這里我們用自旋來舉一個(gè)糾纏態(tài)的例子。自旋是粒子的一種量子特性，你可以把它想象成一個(gè)小磁鐵，磁鐵的 N 極就是自旋所指的方向。對(duì)于 A、B 兩個(gè)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(tài)中，我們只有進(jìn)行測(cè)量，才能夠確定兩個(gè)粒子究竟處于什么樣的自旋狀態(tài)。根據(jù)哥本哈根詮釋，測(cè)量不僅僅讓我們獲知粒子的狀態(tài)，還會(huì)使得粒子“固定”在我們所測(cè)得的狀態(tài)。而對(duì)于糾纏態(tài)的粒子，不論它們相距多遠(yuǎn)，對(duì) A 的測(cè)量在固定了 A 的狀態(tài)的同時(shí)，也固定了 B 的狀態(tài)，仿佛在測(cè)量的瞬間，A 與 B 之間產(chǎn)生了某種相互作用。愛因斯坦不能接受這種跨越遙遠(yuǎn)距離而瞬間發(fā)生的相互作用（即“超距作用”），因?yàn)檫@意味著相互作用的傳遞速度超過光速，違背了狹義相對(duì)論。愛因斯坦堅(jiān)信，這一悖論源于哥本哈根解釋不夠完備。在測(cè)量之前，A、B 粒子必定已經(jīng)有了明確的狀態(tài)。
然而，隨著實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步，科學(xué)家對(duì)糾纏態(tài)粒子進(jìn)行實(shí)際測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，粒子之間的關(guān)聯(lián)性無法用“粒子的狀態(tài)在測(cè)量前就已經(jīng)確定”來解釋，但同時(shí)這種關(guān)聯(lián)性又不違背狹義相對(duì)論，因?yàn)樗⒉荒軅鬟f信息，不會(huì)導(dǎo)致信息超光速。那這種關(guān)聯(lián)是怎樣產(chǎn)生的呢？這確實(shí)很難用符合我們直覺的因果關(guān)系來解釋。
乍看上去，哥本哈根詮釋至少還保留有正常的時(shí)序邏輯：一次測(cè)量并不會(huì)影響到測(cè)量之前所發(fā)生的事件。如果事件 A 要對(duì)事件 B 產(chǎn)生影響的話，那么 A 一定要先于 B 而發(fā)生。然而，最近十年間，這個(gè)最基本的時(shí)序邏輯也開始動(dòng)搖。研究人員已經(jīng)構(gòu)想出了特定的量子情境，以至于我們無法判斷關(guān)聯(lián)事件中究竟是何者發(fā)生在前。
在經(jīng)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(fā)生，它們也必定有一個(gè)先發(fā)生，一個(gè)后發(fā)生。而在量子物理中，不確定性不是由于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(cè)量之前根本就不存在所謂的“實(shí)際狀態(tài)”。
模棱兩可的因果關(guān)系
許多物理學(xué)家已經(jīng)開始初步嘗試探索量子力學(xué)中模棱兩可的因果關(guān)系，包括 Brukner 的研究團(tuán)隊(duì)、Chiribella 的研究團(tuán)隊(duì)等。他們精心設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，其中包含相互關(guān)聯(lián)的事件 A 與事件 B，而我們無法判斷究竟是 A 先發(fā)生，導(dǎo)致了 B （亦即 A 是 B 的“原因”），還是 B 先發(fā)生，導(dǎo)致了 A 。實(shí)驗(yàn)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(guān)系是互斥的。也就是說，正是由于 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(tǒng)做一些超出常規(guī)的事。
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員需要制備某種特殊的量子疊加態(tài)。一個(gè)粒子可以處于“自旋向上”與“自旋向下”的疊加態(tài)，我們剛剛介紹的 EPR 實(shí)驗(yàn)中的兩種自旋就是處于疊加態(tài)，而且那個(gè)例子中涉及到的是兩個(gè)粒子。我們常常將疊加態(tài)的物體描述為同時(shí)處于兩種不同的狀態(tài)，但更準(zhǔn)確地講，其實(shí)是我們不能預(yù)先判斷測(cè)量之后究竟會(huì)得到哪個(gè)狀態(tài)。這兩個(gè)互相疊加的可觀測(cè)狀態(tài)可以用來做二進(jìn)制的數(shù)位，構(gòu)成一個(gè)量子比特（qubit）。量子比特便是構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)的基本單元。
研究者將一般的疊加態(tài)概念進(jìn)一步拓展，制造出了因果關(guān)系的疊加態(tài)。這時(shí)，疊加在一起的兩種狀態(tài)代表的是事件的兩種時(shí)序：一個(gè)是粒子先經(jīng)過 A 門，再經(jīng)過 B 門，于是 A 門輸出的粒子狀態(tài)便會(huì)影響 B 門的輸入狀態(tài)；另一種則是先經(jīng)過 B，再經(jīng)過 A 。
2009 年，Chiribella 與合作者提出了一個(gè)設(shè)計(jì)這種實(shí)驗(yàn)的理論構(gòu)想，用一個(gè)量子比特（控制比特）做開關(guān)，控制一個(gè)粒子（相當(dāng)于另外一個(gè)量子比特）所經(jīng)歷的事件之間的因果順序。當(dāng)控制比特處于 0 狀態(tài)時(shí)，粒子就先經(jīng)過 A 門再經(jīng)過 B 門。當(dāng)控制比特處于 1 狀態(tài)時(shí)，粒子就順次經(jīng)過 B 門和 A 門。這時(shí)，如果我們將控制比特制備到 0 和 1 的疊加態(tài)，則另一個(gè)量子比特將會(huì)處于兩種次序的疊加態(tài)，因而構(gòu)成了因果關(guān)系的疊加。
三年之后，Chiribella 提出了實(shí)現(xiàn)這一想法的具體方案，Walther、Brukner 和同事則在實(shí)驗(yàn)室中將這一想法付諸實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)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(gòu)成了可以操控光子偏振方向的邏輯門 A 和 B ?？刂票忍乜梢詻Q定光子經(jīng)過的順序是 AB 還是 BA，或者是 AB 與 BA 的疊加。當(dāng)然，對(duì)于處于因果疊加態(tài)的光子，一旦我們測(cè)量它先經(jīng)過了哪個(gè)門，這種疊加態(tài)也就被破壞了。
在成功地演示了因果不確定性之后，維也納大學(xué)的這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)還想更進(jìn)一步。他們已經(jīng)成功的制備出了因果關(guān)系的量子疊加態(tài)，無法判斷究竟是 A 導(dǎo)致 B，還是 B 導(dǎo)致 A 。但我們是否有可能在光子穿行邏輯門的過程中對(duì)光子進(jìn)行觀察，而又不破壞因果疊加性呢？
直覺上，這似乎與“測(cè)量破壞量子疊加態(tài)”相悖。但研究者現(xiàn)在已經(jīng)意識(shí)到，量子力學(xué)中，觀察者的行為并不是最關(guān)鍵的——最關(guān)鍵乃是觀察者獲知的信息。
2016 年，Walther 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)方法，可以在光子經(jīng)過兩個(gè)邏輯門的過程中對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，而又不會(huì)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(gè)測(cè)量結(jié)果，而不立即提取。光子在經(jīng)過整個(gè)光路后才會(huì)被探測(cè)器接收到，觀察者直到此時(shí)才能獲知光子攜帶的測(cè)量結(jié)果，因此無法利用光子攜帶的信息來推斷光子經(jīng)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(jù)這些信息來推測(cè)他具體是在何時(shí)何地記錄下這些文字的。
最終，Walther 團(tuán)隊(duì)證實(shí)，只要觀察者不知道具體的測(cè)量結(jié)果，那么測(cè)量就不會(huì)破壞因果疊加態(tài)。Walther 說：“我們等到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行完畢，才提取了途中測(cè)量的結(jié)果。光子飛行途中，測(cè)量結(jié)果以及測(cè)量發(fā)生的時(shí)間都是未知的，但仍然對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生了影響。”
還有一些研究組也在用量子光學(xué)的方法在實(shí)驗(yàn)中研究因果關(guān)系的不確定性。在加拿大，滑鐵盧大學(xué)和圓周理論物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)可以操控光子狀態(tài)的量子線路，以此獲得了另一種因果混合狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，光子先后通過 A 門、B 門，但光子的狀態(tài)取決于兩種不同的因果邏輯的混合：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(huì)增加曬傷病例，也會(huì)增加冰激凌的銷量，但曬傷與冰激凌之間并沒有直接的因果關(guān)系。滑鐵盧大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與維也納大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致：我們無法根據(jù)最終測(cè)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(shí)驗(yàn)，我們或許能夠開發(fā)出新的通信方式。光子作為一個(gè)信號(hào)，其經(jīng)過兩個(gè)邏輯門的順序是疊加態(tài)，這可以視為兩者同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)送信息。Walther 說： “簡單地講，這就是一種事半功倍的通信方式?！币苍S，這當(dāng)中還暗藏著信息處理的捷徑。
人類早已了解到，量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)可以用來對(duì)某些特定的計(jì)算做指數(shù)級(jí)別的加速，但這里涉及的都是經(jīng)典的因果結(jié)構(gòu)。利用量子因果疊加態(tài)天然具備的雙向同步通信潛力，我們或許可以進(jìn)一步提升量子信息處理的速度。在人們提出因果關(guān)系疊加態(tài)構(gòu)想之初，圓周理論物理研究所的理論量子物理學(xué)家 Lucien Hardy 與 Chiribella 的研究團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)各自獨(dú)立提出，量子計(jì)算機(jī)若能擺脫經(jīng)典的確定性因果關(guān)系的限制，其功能或許會(huì)更加強(qiáng)大。
2016 年，Brukner 的研究團(tuán)隊(duì)展示了一項(xiàng)研究成果，他們利用因果疊加態(tài)的捷徑，使得包含有多個(gè)邏輯門的信息處理協(xié)議的效率有了指數(shù)級(jí)別的提高。 Brukner 說：“我們還遠(yuǎn)未窮盡量子物理之能，還有更多的加速方法需要研究?！?/span>
其實(shí)，搭建必要的量子線路也不是特別復(fù)雜，只要有類似于 Walther 實(shí)驗(yàn)中所用的量子開關(guān)就可以了?！盎蛟S我們離實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)不遠(yuǎn)了?！盉rukner 說道。
統(tǒng)一的宇宙
研究因果論，更重要的意義在于理論本身。量子因果性或許能夠成為探究物理學(xué)中最艱深問題的切入點(diǎn)，比如：量子力學(xué)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(xiàn)象而精心雕飾出來的理論。薛定諤方程對(duì)于很多量子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都能給出非常準(zhǔn)確的預(yù)言，但對(duì)于這個(gè)方程的物理意義，物理學(xué)家仍然莫衷一是。過去 20 年間，包括 Hardy 和 Brukner 在內(nèi)的一些物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家試圖通過“量子重構(gòu)”來找到理解量子物理的關(guān)鍵線索：從一些簡單的公理（例如對(duì)量子態(tài)所含信息，哪些操作是允許的，又有哪些是不行的）出發(fā)，推導(dǎo)出量子力學(xué)系統(tǒng)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?！盞atja Ried 說。他是奧地利因斯布魯克大學(xué)的物理學(xué)家，曾經(jīng)與滑鐵盧大學(xué)的研究組合作，開發(fā)了一套能夠制備因果不確定狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?！叭绻孔永碚撌且粋€(gè)關(guān)于大自然如何處理、分配信息的理論，那么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(guī)律?！?/span>
在尋找量子理論與廣義相對(duì)論的統(tǒng)一理論時(shí)，量子因果性或許能夠發(fā)揮更大的作用?！霸趶V義相對(duì)論中，因果結(jié)構(gòu)起到了非常關(guān)鍵的作用。這啟發(fā)我們思考，這種因果性如何能夠表現(xiàn)出其量子的一面呢？”Ried 說。
Brukner 說：“我們?cè)谠噲D理解量子力學(xué)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)保留部分經(jīng)典物理的思維，比如‘粒子軌道’就是一個(gè)經(jīng)典概念?！比欢仡櫫孔游锢淼陌l(fā)展史，其實(shí)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(dāng)你有了一個(gè)顛覆性的理論時(shí)，就必須要有更加顛覆性的思維才能夠理解它?！?/span>
原文鏈接：
https://www.nature.com/news/how-quantum-trickery-can-scramble-cause-and-effect-1.22208
本文首發(fā)于公眾號(hào)“Nature自然科研”（ID：macmillan-nature）
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