作者:唐一尘 来源:中国科学报 发布时间:2017/8/7 9:04:20
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狡猾量子颠覆因果
量子实验甚至修改“时间”概念

 

爱因斯坦散步时,要穿过两扇门。他先穿过一道绿门,然后穿过一道红门;或者他能先穿过红门再穿过绿门吗?两种选择,非此即彼。不过,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实验室的光子飞行的话,或许情况就没那么简单了。

Walther研究组已证明,当光子在实验室内高速飞行时,是无法判断它们是以哪种次序通过两道门的。这并非因为丢失或破坏了次序信息,而是因为这个信息根本不存在。在Walther的实验中,事件发生并没有明确的先后顺序。

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。

实际上,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的。研究人员还认为,非因果系统可以进一步推动颇具潜力的量子计算的发展。中国香港大学量子理论学家Giulio Chiribella 说:“如果有不受因果规律限制的量子计算机,那么它有可能在解决某些问题时比传统量子计算机速度更快。”

此外,由于因果是关于物体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帮助人们解决当今物理学最大的挑战之一。Walther的合作者、维也纳量子光学与量子信息研究所理论物理学家Caslav 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

因果性就一直是量子力学中的一个关键问题。20世纪30年代中期,爱因斯坦质疑了由尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡提出的量子力学的随机性。玻尔与海森堡提出的哥本哈根诠释认为,量子测量的结果是随机的,并且只可能决定于测量的瞬间。

但是在1935年,爱因斯坦和同事Boris Podolsky、Nathan Rosen(根据其姓氏首字母,合称EPR)提出了一个著名的思想实验,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”。即如果 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。但研究人员只对其中一颗粒子进行测量,就确定两个粒子究竟处于何种自旋状态。根据哥本哈根诠释,测量不仅让人们获知粒子的状态,还会使得粒子“固定”在所测得的状态。

这也意味着,与这颗粒子同处于纠缠态的另一颗粒子的状态也在瞬间固定。

但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,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?这确实很难用直观的因果关系解释。

模棱两可的运动

Brukner团队、Chiribella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,但没人能判断究竟是A先发生,导致了B,还是B先发生,导致了A。

实验中,A与B之间能共享信息,但一旦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,研究人员才能用量子系统做一些不可能的事。

研究人员制备了一种特殊的量子“叠加态”。量子叠加态很著名:粒子自旋可以处于“自旋向上”与“自旋向下”的叠加态。EPR实验中的两种自旋就是处于叠加态。而一个叠加态的量子物体就是同时处于两种不同的状态,人们不能预先判断测量结果是什么。这两个可观测状态可以被当作量子比特的二进制状态。而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顺序: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理论构想,用一个量子比特做开关,控制一个粒子所经历的事件之间的因果顺序。当控制开关比特处于0状态时,粒子就先经过A门再经过B门。当处于1状态时,粒子就先经过B门再经过A门。但如果该比特处在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。

3年后,Chiribella提出了实现这一想法的具体方案,于是Walther、Brukner和同事在实验室中付诸实践。该团队用了一系列波片和半反射镜,这些装置构成了可以操控光子偏振方向的逻辑门A和B。控制开关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。一旦研究人员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。

2016年,Walther团队又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。他们让光子自身携带测量结果,但不对其即时读取。由于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推断光子经过逻辑门的顺序。

该团队证实,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。”

还有一些研究组也在开展因果关系不确定性实验。例如,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、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结论一致:人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。

宇宙“大同”

但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?

量子理论看起来总有点儿站不住脚。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Brukner在内的一些物理学家和数学家试图通过“量子重构”找到理解量子物理的关键线索:从一些简单的公理出发,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。”奥地利因斯布鲁克大学物理学家Katja Ried说。他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,那么深究不同事件间的相互影响,或许可以揭示信息处理过程遵循的规律。”

如果能够结合量子理论与广义相对论,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。那么,因果性如何能够表现出其量子的一面呢?”Ried说。

“我们在试图理解量子力学的时候,常想保留部分经典物理的思想,比如粒子轨道。” Brukner说,然而历史告诉人们,这时候大家需要超越旧思维的全新观念,比如,用全新的方式理解因果律。“当你有了一个颠覆性的理论时,就必须要用更具颠覆性的思维理解它。”

(唐一尘编译)

《中国科学报》 (2017-08-07 第3版 国际)
 
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