这个量子实验如何颠覆了因果律？

原文以How quantum trickery can scramble cause and effect为标题

发布在2017年6月28日的《自然》新闻专题上

原文作者：Philip Ball

量子实验挑战我们熟知的因果逻辑，甚至修改“时间”的概念。

爱因斯坦在散步的时候，要穿过两扇门。他先穿过一道绿门，然后穿过一道红门；或者他也可以先穿过红门，再穿过绿门。两种选择，非此即彼。按照一般的思维，他通过这两扇门时一定有先后次序，对吧？

但如果爱因斯坦是乘着维也纳大学Philip Walther的实验室的光子飞行的话，或许情况就没那么简单了。Walther的研究组证明，当光子在实验室内高速飞行时，是无法判断它们以哪种次序通过两道门的。这并非因为他们丢失或破坏了次序信息，而是因为这个信息根本就不存在！在Walther的实验中，事件发生并没有明确的先后顺序。

Edgar BąK

2015年的这一发现让科学家意识到，量子世界比他们之前认为的更加匪夷所思。Walther的实验打破了“一件事导致了另一件事”的因果逻辑，这就像之前物理学家搅乱时间这个概念，让人感觉它能同时向两个方向流逝。

若用日常的思维来理解，这简直就是胡扯。但在量子理论的数学体系中，因果关系上的模糊性是完全符合逻辑且自洽的。研究人员还认为，利用人为制造的因果关系模糊的物理系统，他们能够探索更多的可能性。有人提出，非因果系统可以进一步推动颇具潜力的量子计算的发展。香港大学的量子理论学家Giulio Chiribella 说：“如果有不受因果规律限制的量子计算机，那么它就有可能在解决某些问题时比传统量子计算机速度更快。”

更重要的是，思考量子力学的“因果结构”——事件发生的先后顺序——或许更能帮助我们接受并最终适应量子理论。目前，我们在理解量子物理的时候，总是把光子描述成一种既是波又是粒子的物质，总是把事件描述成被不确定性笼罩着的一团模糊，但这样的语言十分拗口，不便理解。

此外，由于因果律是关于物体之间如何通过时空产生相互作用的规律，这种新的视角或许能够帮助我们结合物理学的两大理论基石——量子力学与广义相对论，并解决当今物理学最大的挑战之一。Walther的合作者、维也纳的量子光学与量子信息研究所的理论物理学家Časlav Brukner说：“因果关系处于量子力学与广义相对论的交界处，因此有可能成为我们探索如何融合两大理论的切入点。”

时间的混乱

20世纪30年代中期，爱因斯坦对由尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡提出的量子力学的随机性提出质疑。自此，因果性就一直是量子力学中的一个关键问题。玻尔与海森堡提出的哥本哈根诠释坚持认为，量子测量（比如测量一个线偏振光子的偏振方向）的结果是随机的，并且只可能决定于测量的瞬间。我们完全无法解释为何出现这个测量结果。但是在1935年，爱因斯坦和同事鲍里斯·波多尔斯基、内森·罗森（根据其姓氏首字母，合称EPR）提出了一个著名的思想实验。他们将玻尔对量子力学的解释推到了一个貌似不合理的位置。

EPR的思想实验中有A、B两个粒子，它们处于相互依赖的状态，也就是“纠缠态”。这里我们用自旋来举一个纠缠态的例子。自旋是粒子的一种量子特性，你可以把它想象成磁铁定向。对于A、B两个粒子，如果 A的自旋朝上，则B的自旋一定朝下，反过来如果 A的自旋朝下，则B的自旋一定朝上。

这两种定向都是可能的。但是研究人员只有对其中一颗粒子进行测量，才能确定两个粒子究竟处于什么样的自旋状态。根据哥本哈根诠释，测量不仅让我们获知粒子的状态，还会使得粒子“固定”在我们所测得的状态。这也意味着，与这颗粒子同处于纠缠态的另一颗粒子——不论它们相距多远——其状态也在瞬间固定。但是，爱因斯坦不能接受这种跨越遥远距离而瞬间发生的相互作用（即“超距作用”），因为这意味着相互作用的传递速度超过光速，这有悖狭义相对论。爱因斯坦坚信，这一实验证明了哥本哈根诠释存在缺陷，他还认为在测量之前，A、B粒子必定已经有了明确的状态。

然而，对纠缠态粒子的测量证明粒子自旋之间的关联性无法用粒子的已有属性来解释，但同时这些关联又不违背狭义相对论，因为粒子的运动速度不可能超过光速。那这种关联是怎样产生的呢？这确实很难用直观的因果关系来解释。

乍看上去，哥本哈根诠释保留有正常的时序逻辑：测量所造成的影响并不会在测量之前发生。如果事件A要对事件B产生影响的话，那么A一定要先于B而发生。然而，最近十年间，随着研究人员意识到在特定的量子情境中我们无法判断关联事件中究竟是何者发生在前，这个逻辑开始动摇了。

在经典物理中不可能有这样的情境。就算我们不知道AB谁先发生，它们中必定有一个先发生，一个后发生。而在量子物理中，不确定性并非缺乏认识；而是从根本上禁止在测量之前宣布“事物的真实状态”的行为。

模棱两可的粒子运动

Brukner的研究团队、Chiribella的研究团队等许多物理学家已经开始初步尝试探索量子力学中模棱两可的因果关系。他们精心设计了相互关联的事件A与事件B，但是没人能判断究竟是A先发生，导致了B（亦即A是B的“原因”），还是B先发生，导致了A。实验中，A与B之间能共享信息，但是一旦A、B之间存在明确的因果关系，共享过程便会结束。也就是说，正是由于A、B之间没有确定的因果顺序，研究人员才能够用量子系统做一些超出常规的事。

研究人员用的技巧是制备一种特殊的量子“叠加态”。量子的叠加态很著名：比如，粒子自旋可以处于“自旋向上”与“自旋向下”的叠加态，我们刚刚介绍的EPR实验中的两种自旋就是处于叠加态，而且那个例子中涉及到的是两个粒子。我们常常说，一个叠加态的量子物体就是同时处于两种不同的状态，但更准确地讲，其实是我们不能预先判断测量的结果是什么。这两个可观测状态可以被当作量子比特（qubit）的二进制状态。量子比特便是构成量子计算机的基本单元。

研究者进一步拓展这个概念，制造出了因果关系的叠加态。这时，叠加在一起的两种状态代表的是事件的两种时序：一种是粒子先经过A门，再经过B门，于是A门输出的粒子状态便会影响B门的输入状态；另一种则相反。

2009年，Chiribella与合作者提出了一个设计这种实验的理论构想，用一个量子比特（控制比特）做开关，控制一个粒子（相当于第二个量子比特）所经历的事件之间的因果顺序。当控制比特处于0状态时，粒子就先经过A门再经过B门。当控制比特处于1状态时，粒子就先经过B门再经过A门。但如果控制比特处在0和1的叠加态，那么另一个量子比特将会经历两种次序的因果叠加——也就是说，粒子穿越两道门时并没有明确的顺序。

Nik Spencer/Nature

三年之后，Chiribella提出了实现这一想法的具体方案，于是，Walther、Brukner和同事在实验室中将这一想法付诸实践。维也纳实验团队用到一系列波片（可以改变光的偏振方向的晶体）和半反射镜（可以反射一部分光、通过一部分光），这些装置构成了可以操控光子偏振方向的逻辑门A和B。控制比特可以决定光子经过的顺序是AB还是BA，或者是AB与BA的叠加。当然，一旦我们去测量光子先经过了哪个门，穿越门的顺序的叠加态也就被破坏了。

在实验中演示了因果不确定性之后，维也纳大学的这个研究团队还想更进一步。他们已经成功的制备出了因果关系的量子叠加态，这种状态无法明确光子穿越两道门的顺序是AB还是BA。但研究者提出他们是否有可能在光子穿行多道门的过程中对光子进行监视，而同时又不破坏因果关系的不确定性？

从表面上来看，这似乎与保持叠加状态取决于不对其进行测量的理论相悖。但研究者现在已经意识到，量子力学中，观察者的行为并非关键——关键乃是观察者获知的信息。

2016年，Walther团队设计了一种实验方法，允许研究者在光子经过两个逻辑门的过程中对其进行测量，而又不会立即改变观察者对它的认识。具体做法是让光子自身携带测量结果，但研究者不对其即时读取。光子在经过整个光路后才会被探测器探测到，观察者直到此时才能获知光子携带的测量结果，因此他们无法利用光子携带的信息来推断光子经过逻辑门的顺序。这就好比别人在旅行途中记录自己的感受，等到旅行归来再与你分享这些记录，你是没办法根据这些信息来推测他具体是在何时何地记录下这些文字的。

Walther团队证实，只要观察者不知道测量结果，那么测量就不会破坏因果叠加态。Walther说：“我们等到整个实验过程进行完毕，才提取测量的结果。光子飞行途中，测量结果以及测量发生的时间都是未知的，但仍然对最终的结果产生影响。”

还有一些研究组用量子光学也在开展针对因果关系不确定性的实验。比如，加拿大滑铁卢大学和圆周理论物理研究所的研究团队制造了一个可以操控光子状态的量子线路，以此获得了不同的因果混合状态。实验中，光子先后通过A门、B门，但光子的状态取决于两种不同的因果逻辑的混合：要么是A门的作用决定了B门的作用，要么是A、B两门的作用分别由其他事件决定——这就好比，高温天气会增加晒伤病例，也会增加冰激凌的销量，但晒伤与冰激凌之间并没有直接的因果关系。滑铁卢大学的实验结论与维也纳大学的实验结论一致：我们无法根据最终测得的光子状态判断先前事件之间的因果关系。

部分实验提供了传播信息的新方式。与信号穿越两个逻辑门的顺序相符的因果叠加态意味着两个信号能同时向对方发送信息。Walther说： “简单地讲，这就是一种事半功倍的通信方式。”这给我们提供了信息处理的捷径。

虽然人们早已认识到量子叠加态和纠缠态可以使计算速度呈指数级别增长，但是此前，科学家只对经典的因果结构做过相关实验。利用量子因果叠加态天然具备的双向同步通信潜力，我们或许可以进一步提升量子信息处理的速度。在人们提出因果关系叠加态构想之初，其发展前景就十分明朗：圆周理论物理研究所的理论量子物理学家Lucien Hardy与Chiribella的研究团队各自独立提出，量子计算机若能摆脱经典的确定性因果关系的限制，其功能或许会更加强大。

2016年，Brukner的研究团队展示了一项研究成果，他们在包含有多个逻辑门的信息处理协议中添加因果叠加态的捷径，结果逻辑门之间的信息传递效率有了指数级别的增长，这对计算大有好处。Brukner说：“我们还远未穷尽量子物理之能，还有更多的加速方法需要研究。”

其实，搭建必要的量子线路也不是特别复杂，只要有类似于Walther实验中所用的量子开关就可以了。“或许我们离实际应用已经不远了。”Brukner说道。

宇宙的统一体

研究因果论更重大的目标是理论发展。量子因果性或许能够成为探究物理学中最艰深问题的切入点，比如：量子力学究竟从何而来？

量子理论看起来总是有那么点站不住脚。虽然薛定谔方程对很多量子实验的结果都能给出非常准确的预言，但对于这个方程的物理意义，物理学家仍然莫衷一是，因为其背后的物理学原理并不为人所知。过去20年间，包括Hardy和Brukner在内的一些物理学家和数学家试图通过“量子重构”来找到理解量子物理的关键线索：从一些简单的公理（例如对量子态所含信息可以进行哪些操作）出发，推导出量子力学系统的固有特性，如叠加、纠缠等。

“因果模型的框架提供了看待这些问题的新视角。”Katja Ried说。他是奥地利因斯布鲁克大学的物理学家，曾经与滑铁卢大学的研究组合作，开发了一套能够制备因果不确定状态的实验系统。“如果量子理论是一个关于大自然如何处理、分配信息的理论，那么深究不同事件之间的相互影响，或许可以揭示信息处理过程所遵循的规律。”

如果能够结合量子理论与广义相对论（解释了重力），量子因果性或许能够发挥更大的作用。“在广义相对论中，因果结构起到了非常关键的作用。这启发我们思考，因果性如何能够表现出其量子的一面呢？”Ried说。

Brukner说：“我们在试图理解量子力学的时候，常常想要保留部分经典物理的思想，比如粒子轨道。”然而历史告诉我们，这时候我们需要超越旧思维的全新观念，比如，用全新的方式来理解因果律。“当你有了一个颠覆性的理论时，就必须要有更具颠覆性的思维来理解它。”ⓝ

Nature|doi:10.1038/546590a

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描述区区几百个粒子的一般量子态，所需变量的数量就超过了宇宙中的原子数。没有任何经典计算机能有内存来存储这么多的信息。

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