[導(dǎo)讀] 在量子疊加態(tài)，量子物體能以兩種不相容的狀態(tài)同時(shí)存在，比如薛定諤的貓——著名的死活并存的貓。
量子力學(xué)中還有因果順序嗎？
量子開關(guān)證明序列事件可同時(shí)存在
本報(bào)記者 常麗君
在量子疊加態(tài)，量子物體能以兩種不相容的狀態(tài)同時(shí)存在，比如薛定諤的貓——著名的死活并存的貓。然而最新研究顯示，不僅在空間上不相容的狀態(tài)可能并存，連時(shí)間上不相容的序列事件也可能。
我們通常認(rèn)為，事件的發(fā)生是按照一定的時(shí)間順序進(jìn)行，比如A事件后隨之造成了B事件，反之亦然。但在某些量子過程中，事件的發(fā)生并非只按照一種確定的順序，而是同時(shí)以兩種順序（A在B之前和B在A之前）發(fā)生。這種有悖常理的類似疊加的現(xiàn)象稱為“因果非分離”。
奧地利維也納大學(xué)的馬特烏斯·埃若喬說：“在日常生活中，我們經(jīng)歷的事件總是一件隨著一件發(fā)生，后果隨著前因，對此我們已經(jīng)習(xí)以為常。所以認(rèn)識到自然的深層本質(zhì)并非如此，確實(shí)讓人感到有點(diǎn)混亂，事情可以不按照一種確定的因果順序發(fā)生，在此我們不能說什么是因，什么是果?！?/p>
迄今為止，科學(xué)家只是以一種非常抽象的方式來看待量子力學(xué)中的因果非分離現(xiàn)象，還沒有清晰的物理上的解釋。最近，埃若喬與其他合作者一起在《新物理學(xué)》雜志上發(fā)表新論文，描述了一種物理量子過程，可作為證明因果非分離的一個(gè)例子。
論文合著者、法國國家科學(xué)研究院和格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)塞利爾·布蘭西亞德說：“相對論動搖了絕對時(shí)間的觀念，即認(rèn)為存在一種絕對的全局性時(shí)間，每個(gè)人對時(shí)間流逝的體驗(yàn)及與時(shí)間的關(guān)系都是相同的。而相對論告訴我們，處于不同參照系的兩個(gè)觀察者，對于事件發(fā)生的先后順序，看法并不一致。”
“另一方面，量子理論動搖了我們對‘真實(shí)’的理解，它告訴我們，物理系統(tǒng)可能沒有確定的屬性，而是處在一種互不相容的‘疊加’狀態(tài)，比如同時(shí)處在死活兩種狀態(tài)的貓?，F(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，不只是物理屬性，就連因果關(guān)系（或因果順序）本身也是不確定的，可以處于某種疊加態(tài)——但直到不久前，這種現(xiàn)象一直未能在實(shí)驗(yàn)室觀察到?！?/p>
研究人員探索的因果非分離量子過程稱為“量子開關(guān)”（Quantum Switch），是最近提出的一種提高量子計(jì)算機(jī)效率的方式。在此次研究中，他們介紹了一種因果非分離檢測，類似于檢測量子糾纏。這種新測試不僅能確定量子開關(guān)具有因果非分離性，還能確定任何因果非分離過程。這讓新測試更加有用，可用于識別其他系統(tǒng)中的因果非分離性，將來或許能在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。
研究人員解釋說，由于量子開關(guān)是因果非分離的，意味著操作不遵循一定的順序，但并不意味著它違反因果律（如未來事件導(dǎo)致過去事件發(fā)生，則違反因果規(guī)律），這是因?yàn)樵诹孔娱_關(guān)中沒有明確的過去或未來，也沒有確定的誰先誰后。雖然量子開關(guān)不違反因果規(guī)律，但問題依然存在：實(shí)際發(fā)生的物理過程是否也能這樣？
以往的研究表明，量子開關(guān)比標(biāo)準(zhǔn)的因果分離協(xié)議在計(jì)算上更有優(yōu)勢，因此因果非分離現(xiàn)象在量子計(jì)算中也有應(yīng)用前景。
布蘭西亞德說：“對于量子計(jì)算機(jī)或任何能執(zhí)行量子信息處理任務(wù)的設(shè)備來說，通常假設(shè)它們都是按照一定的順序來執(zhí)行操作，比如量子計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)‘線路模型’的基本假設(shè)，通常用于描述量子計(jì)算機(jī)的工作原理。因此，我們對大部分量子計(jì)算機(jī)能力（如解決哪種問題、效率高低、運(yùn)行算法的復(fù)雜性）的了解，只限于具有確定因果順序的操作，即都是因果分離操作?！?/p>
由于量子理論還允許有因果非分離過程（如量子開關(guān)），這就帶來了新的可能性。人們會很自然地期望，因果非分離過程在執(zhí)行某些任務(wù)時(shí)能勝過因果分離過程。
朱利奧·克里貝拉提出了這些任務(wù)中的一個(gè)例子，是關(guān)于在某個(gè)處理過程中，操作順序如何確定的問題：當(dāng)你執(zhí)行“A然后B”，或者執(zhí)行“B然后A”時(shí)，能否得到相同的結(jié)果？如果結(jié)果相同，這些操作可以說是“互易的”；如果結(jié)果不同，則這些操作是“非互易的”。
要回答這個(gè)問題，一個(gè)因果分離過程必須既能執(zhí)行“A然后B”，又能執(zhí)行“B然后A”兩種順序，并比較其結(jié)果；而一個(gè)因果非分離過程，如量子開關(guān)，要能同時(shí)執(zhí)行這兩種順序，以量子疊加的形式一步解決問題。非分離過程不僅更高效，而且在某些情況下，是解決問題的唯一方式——比如，執(zhí)行量子運(yùn)算的“黑箱”可能只用一次就會破壞，所以這種程序就只能一次性執(zhí)行。
由于量子開關(guān)是因果非分離性的最簡單例子，研究人員希望其他的因果非分離過程擁有更大優(yōu)勢。布蘭西亞德說：“從更普遍的角度說，我希望因果非分離過程還能用于更多情況——就像量子糾纏在量子信息處理中廣為應(yīng)用那樣，其全部潛能仍有待發(fā)掘?！?/p>
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