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木虫 (职业作家)

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[交流] 量子力学杀死了因果顺序？已有6人参与

在量子叠加态中，量子物体可以同时处于两个在经典世界里不相容的态，如同著名的“薛定谔的猫”处于既活又死的叠加态一样。而最近的研究表明，量子物体不仅可以处于两个不相容态的叠加，还可以处于两个事件顺序的叠加。我们通常认为时间按照一个确定的时间顺序发生，比如A发生了，（并导致了）之后B发生，或者反过来。然而，在特定的量子过程中，事件不会按照某一个确定的顺序发生，而是同时按照两个不同的顺序（A在B前面，A在B后面）发生。这种反直觉的现象被称为“因果不可分离性”（causal nonseparability）。

“在日常生活中，我们都习惯于经历一件事情接在另一件事情之后发生，原因先于结果，”维也纳大学与维也纳量子光学与量子信息中心的物理学家Mateus Araújo说，“因此，如果发现大自然在背后其实并不按照这一套工作，事件可以不按照一个确定的因果顺序发生，可能会让人有点不安。”

在此之前，量子力学中的因果不可分离性一直都是一个抽象的构想，没有清晰的物理学诠释，但在最新的《新物理学杂志》（New Journal of Physics）发表的一篇论文中，Araújo和他的合作者提出了一个物理上的量子过程例子，可以描述因果不可分离性。

“爱因斯坦的相对论已经动摇了绝对的全局时空观，告诉我们每个人所经历的时间，以及时间关系是可以不相同的：两个不同参考系中的不同观察者，对于两个事件发生的先后顺序的观察结果或许会不同。”论文的另一位作者，法国国家科学研究中心与格勒诺布尔阿尔卑斯大学的Cyril Branciard说。

“而另一方面，量子力学则动摇了我们对‘真实’的理解。它告诉我们，物理系统可能不会拥有定义明确、界限分明的性质，而是处于几种不相容状态的叠加上，比方说，一只可怜的猫可能同时既是活的也是死的。而现在我们发现，不仅物理状态之间的界限不再分明，甚至因果关系（或者说因果顺序）也会变得不再明确，可以处于某种程度上的叠加。”

量子开关

物理学家在这里讨论的因果不可分离的量子过程被称为“量子开关”（quantum switch），这是最近被提出来用于提高量子计算机效率的概念。在这项新研究中，物理学家引入了一种测试来检测因果不可分离性，它与测试量子纠缠的方法类似。如果一个操作是经典的（即只包含可分离的时间顺序或非纠缠态），测试会产生一定范围内的值，而反之则会产生另外一些范围内的值。

物理学家表明，任何量子过程的因果不可分离性可以通过这种新的方法检测出来。在未来，它或许可以帮助我们在其他系统里通过实验检测因果不可分离性。

研究者解释说，量子开关的因果不可分离性（即该操作不遵循一个确定的顺序）并不意味着它破坏了因果律，比如让原本后发生的事情先发生了之类的。这是因为量子开关中本来就没有确定的过去或未来，不会有哪个事件“本该”在另一个事件之前或者之后发生。虽然量子开关并不违反因果律，但科学家还不清楚关于真实发生的物理过程能否实现这样的效果。

因果不可分离性用于计算

此前的研究已经指出量子开关在计算方面比因果分离的协议更有优势，这表明因果不可分离性在量子计算方面可能有应用前景。

“人们在研究量子计算机或是其他能够进行量子信息处理任务的设备时，通常假设它们是按照某个特定顺序工作的，”Branciard说，“这是量子计算中标准‘回路模型’（circuit model）的基本假设，常用于描述量子计算机工作原理。因此，我们对于量子计算机能力的了解，只局限于有特定因果顺序的操作——即因果分离的操作中。”

“意识到了量子理论还包含因果不可分离的过程（如量子开关），就为量子计算打开了新的可能性，我们可以很自然地期望因果不可分离的过程能在一些任务上取得更好的效果。”

物理学家Giulio Chiribella提出了一个例子来展示操作顺序是否固定有何影响：如果执行“先A后B”与“先B后A”得到的结果相同，这些操作就被成为是“对易”的（commute），否则就是“反对易”的（anticommute）。

为了搞清楚某个操作是对易的还是反对易的，一个因果分离的过程必须进行“先A后B”和“先B后A”两项操作，并比较结果。而另一方面，因果不可分离的过程，如量子开关，就可以在量子叠加态中同时进行两个顺序的过程，从而一步解决问题。从这个角度看，因果不可分离过程不仅效率更高，在有些问题中甚至还是唯一的解决方法——比方说，如果有的“黑箱”在一次操作之后就会被损坏，那就必须在一步之内解决问题。

由于量子开关只是因果不可分离性的最简单的例子，物理学家希望其他的因果不可分离过程还能带来更大的惊喜。

“从更普遍的角度讲，我希望因果不可分离过程能在其他各种场景下得到应用——就像量子纠缠能在量子信息处理的各个方面得到应用一样，”Branciard说，“因果不可分离性的强大威力还在等待我们挖掘，这使该领域研究充满了激动人心的魅力。”（撰文：莉萨•齐加（Lisa Zyga）翻译：丁家琦）

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