量子化學(xué)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。
愛(ài)因斯坦在遛彎的時(shí)侯，要穿過(guò)兩扇門。他先穿過(guò)一道綠門，之后穿過(guò)一道紅門；或則他也可以先穿過(guò)紅門，再穿過(guò)綠門。兩種選擇，非此即彼。根據(jù)通常的思維，他通過(guò)這兩扇門時(shí)一定有先后順序，對(duì)吧？
但若果是在維也納學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里，假若愛(ài)因斯坦才能乘著光子飛行的話，恐怕情況就沒(méi)這么簡(jiǎn)單了。的研究組讓光子在實(shí)驗(yàn)室外高速飛行，在此過(guò)程中未能判定它們是以哪些樣的順序通過(guò)兩道門的。這并非由于她們遺失或破壞了順序信息，而是由于這個(gè)信息根本就不存在！在的實(shí)驗(yàn)中，我們難以明晰定義風(fēng)波的先后次序。
2015年的這一發(fā)覺(jué)，讓科學(xué)家意識(shí)到，量子化學(xué)要比她們此前的理解愈發(fā)匪夷所思。的實(shí)驗(yàn)向“一件事造成了另一件事”的因果邏輯發(fā)起了挑戰(zhàn)，似乎是化學(xué)學(xué)家擊潰了時(shí)間這個(gè)概念本身，讓時(shí)間向兩個(gè)方向流逝。
假如用日常的思維來(lái)理解，那這簡(jiǎn)直就是胡說(shuō)。但在量子理論的物理體系中，因果關(guān)系上的模糊性是完全符合邏輯且自洽的。研究人員還覺(jué)得，利用人為制造的因果關(guān)系模糊的化學(xué)系統(tǒng)，我們便可以探求愈發(fā)寬廣的化學(xué)領(lǐng)域。有人提出，非因果系統(tǒng)可以用于促進(jìn)富有潛力的量子估算的發(fā)展。臺(tái)灣學(xué)院的量子理論學(xué)家說(shuō)：“如果量子計(jì)算機(jī)才能不受因果規(guī)律的限制，這么它就有可能在解決個(gè)別問(wèn)題時(shí)比精典計(jì)算機(jī)速率更快?！?span style="display:none">5SZ物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
更重要的是，理解量子熱學(xué)的“因果結(jié)構(gòu)”，明晰風(fēng)波之間是否存在先后次序，其實(shí)有助于我們接受量子理論、形成量子直覺(jué)。目前，我們?cè)诶斫饬孔踊瘜W(xué)的時(shí)侯，總是把光子描述成一種既是波又是粒子的物質(zhì)，總是覺(jué)得風(fēng)波被不確定性映照著，但這樣的語(yǔ)言還是非常生硬。
據(jù)悉，因?yàn)橐蚬墒顷P(guān)于物體之間怎樣通過(guò)時(shí)空形成互相作用的規(guī)律，這些新的視角似乎就能幫助我們走向量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的統(tǒng)一理論。量子熱學(xué)與廣義相對(duì)論是現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的兩大基石，而三者之間互不相容，這也構(gòu)成現(xiàn)今數(shù)學(xué)學(xué)最大的挑戰(zhàn)之一。的合作者、維也納的量子光學(xué)與量子信息研究所的理論化學(xué)學(xué)家?aslav說(shuō)：“因果關(guān)系正好處于量子熱學(xué)與廣義相對(duì)論的交界處，因而有可能成為我們探求統(tǒng)一理論的切入點(diǎn)。”
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(ài)因斯坦多次對(duì)此提出指責(zé)。從此，因果性就是始終量子熱學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。玻爾與海森堡建立的量子熱學(xué)赫爾辛基演繹堅(jiān)持覺(jué)得，量子檢測(cè)，比如檢測(cè)一個(gè)線偏振光光子的偏振光方向，其結(jié)果是隨機(jī)的，而且只在測(cè)量的頓時(shí)才被決定出來(lái)，我們也完全未能解釋為什么出現(xiàn)這個(gè)檢測(cè)結(jié)果。1935年，愛(ài)因斯坦和他的助手鮑里斯·波多爾斯基、內(nèi)森·羅森（依照其姓氏首字母，稱作EPR）提出了一個(gè)知名的思想實(shí)驗(yàn)。她們借助玻爾對(duì)量子熱學(xué)的解釋，推導(dǎo)入了一個(gè)似乎不可能的推論。
EPR的思想實(shí)驗(yàn)中，A、B兩個(gè)粒子處于互相影響的狀態(tài)，也就是“糾纏態(tài)”。這兒我們用載流子來(lái)舉一個(gè)糾纏態(tài)的反例。載流子是粒子的一種量子特點(diǎn)，你可以把它想像成一個(gè)小吸鐵石，吸鐵石的N極就是載流子所指的方向。對(duì)于A、B兩個(gè)粒子，假如A的載流子朝上，則B的載流子一定朝下，反過(guò)來(lái)假如A的載流子朝下，則B的載流子一定朝上。
在這樣的糾纏態(tài)中，我們只有進(jìn)行檢測(cè)，才才能確定兩個(gè)粒子到底處于哪些樣的載流子狀態(tài)。按照奧斯陸演繹，檢測(cè)不僅僅讓我們得知粒子的狀態(tài)，就會(huì)促使粒子“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的檢測(cè)在固定了A的狀態(tài)的同時(shí)，也固定了B的狀態(tài)，如同在檢測(cè)的頓時(shí)，A與B之間形成了某種互相作用。愛(ài)因斯坦不能接受這些跨越遙遠(yuǎn)距離而頓時(shí)發(fā)生的互相作用（即“超距作用”），由于這意味著互相作用的傳遞速率超過(guò)光速，違反了狹義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦深信，這一悖論緣于赫爾辛基解釋不夠完備。在檢測(cè)之前，A、B粒子必將早已有了明晰的狀態(tài)。
但是，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)際檢測(cè)后發(fā)覺(jué)，粒子之間的關(guān)聯(lián)性難以用“粒子的狀態(tài)在檢測(cè)前就早已確定”來(lái)解釋，但同時(shí)這些關(guān)聯(lián)性又不違反狹義相對(duì)論，由于它并不能傳遞信息，不會(huì)造成信息超光速。那這些關(guān)聯(lián)是如何形成的呢？這確實(shí)很難用符合我們直覺(jué)的因果關(guān)系來(lái)解釋。
乍看起來(lái)，奧斯陸演繹起碼還保留有正常的時(shí)序邏輯：一次檢測(cè)并不會(huì)影響到檢測(cè)之前所發(fā)生的風(fēng)波。假如風(fēng)波A要對(duì)風(fēng)波B形成影響的話，這么A一定要先于B而發(fā)生。但是，近來(lái)六年間，這個(gè)最基本的時(shí)序邏輯也開(kāi)始動(dòng)搖。研究人員早已設(shè)想出了特定的量子情景，以至于我們難以判斷關(guān)聯(lián)風(fēng)波中到底是何者發(fā)生在前。
在精典化學(xué)中不可能有這樣的情景。即使我們不曉得甲乙誰(shuí)先發(fā)生，它們也必將有一個(gè)先發(fā)生，一個(gè)后發(fā)生。而在量子化學(xué)中，不確定性不是因?yàn)槲覀儧](méi)有獲取足夠的信息；這是一種根本上的不確定性，在檢測(cè)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
許多化學(xué)學(xué)家早已開(kāi)始初步嘗試探求量子熱學(xué)中模棱兩可的因果關(guān)系，包括的研究團(tuán)隊(duì)、的研究團(tuán)隊(duì)等。她們悉心設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，其中包含互相關(guān)聯(lián)的風(fēng)波A與風(fēng)波B，而我們難以判定到底是A先發(fā)生，造成了B（亦稱A是B的“原因”），還是B先發(fā)生，造成了A。實(shí)驗(yàn)中，A與B共同包含一定的信息，而信息的這些存在方式，與A、B之間明晰的因果關(guān)系是互斥的。也就是說(shuō)，正是因?yàn)锳、B之間沒(méi)有確定的因果次序，研究人員才才能藥量子系統(tǒng)做一些超出常規(guī)的事。
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員須要制備某種特殊的量子疊加態(tài)。一個(gè)粒子可以處于“自旋向下”與“自旋向上”的疊加態(tài)，我們剛才介紹的EPR實(shí)驗(yàn)中的兩種載流子就是處于疊加態(tài)，但是那種事例中涉及到的是兩個(gè)粒子。我們經(jīng)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)，但更確切地講，雖然是我們不能預(yù)先判定檢測(cè)以后到底會(huì)得到那個(gè)狀態(tài)。這兩個(gè)相互疊加的可觀測(cè)狀態(tài)可以拿來(lái)做二補(bǔ)碼的數(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。
研究者將通常的疊加態(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)代表的是風(fēng)波的兩種時(shí)序：一個(gè)是粒子先經(jīng)過(guò)A門，再經(jīng)過(guò)B門，于是A門輸出的粒子狀態(tài)便會(huì)影響B(tài)門的輸入狀態(tài)；另一種則是先經(jīng)過(guò)B，再經(jīng)過(guò)A。
2009年，與合作者提出了一個(gè)設(shè)計(jì)這些實(shí)驗(yàn)的理論設(shè)想，用一個(gè)量子比特（控制比特）做開(kāi)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)歷的風(fēng)波之間的因果次序。當(dāng)控制比特處于0狀態(tài)時(shí)，粒子就先經(jīng)過(guò)A門再經(jīng)過(guò)B門。當(dāng)控制比特處于1狀態(tài)時(shí)，粒子就順次經(jīng)過(guò)B門和A門。這時(shí)，假若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)處于兩種順序的疊加態(tài)，因此構(gòu)成了因果關(guān)系的疊加。
五年以后，提出了實(shí)現(xiàn)這一看法的具體方案，、和朋友則在實(shí)驗(yàn)室少將這一看法付諸實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)中用到一系列波片（可以改變光的偏振光方向的晶體）和半反射鏡（可以反射一部份光、通過(guò)一部份光），這種裝置構(gòu)成了可以操控光子偏振光方向的邏輯門A和B?？刂票忍乜梢詻Q定光子經(jīng)過(guò)的順序是AB還是BA，或則是AB與BA的疊加。其實(shí)，對(duì)于處于因果疊加態(tài)的光子，一旦我們檢測(cè)它先經(jīng)過(guò)了那個(gè)門，這些疊加態(tài)也就被破壞了。
在成功地演示了因果不確定性以后，維也納學(xué)院的這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)還想更進(jìn)一步。她們已然成功的制備出了因果關(guān)系的量子疊加態(tài)，難以判定到底是A造成B，還是B造成A。但我們是否有可能在光子游走邏輯門的過(guò)程中對(duì)光子進(jìn)行觀察，而又不破壞因果疊加性呢？
直覺(jué)上，這或許與“測(cè)量破壞量子疊加態(tài)”相悖。但研究者如今早已意識(shí)到，量子熱學(xué)中，觀察者的行為并不是最關(guān)鍵的——最關(guān)鍵乃是觀察者得知的信息。
2016年，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)方式，可以在光子經(jīng)過(guò)兩個(gè)邏輯門的過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，而又不會(huì)立刻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)檢測(cè)結(jié)果量子物理的應(yīng)用，而不立刻提取。光子在經(jīng)過(guò)整個(gè)光路后就會(huì)被偵測(cè)器接收到，觀察者直至此時(shí)就能得知光子攜帶的檢測(cè)結(jié)果，因而未能利用光子攜帶的信息來(lái)推測(cè)光子經(jīng)過(guò)邏輯門的次序。這就好比他人在旅行途中記錄自己的體會(huì)，等到旅行歸來(lái)再與你分享那些記錄，你是沒(méi)辦法按照這種信息來(lái)推斷他具體是在何時(shí)何地記錄下這種文字的。
最終，團(tuán)隊(duì)否認(rèn)，只要觀察者不曉得具體的檢測(cè)結(jié)果，這么檢測(cè)就不會(huì)破壞因果疊加態(tài)。說(shuō)：“我們等到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行完畢，才提取了途中檢測(cè)的結(jié)果。光子飛行途中，檢測(cè)結(jié)果以及檢測(cè)發(fā)生的時(shí)間都是未知的，但依然對(duì)最終的結(jié)果形成了影響?！?span style="display:none">5SZ物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
還有一些研究組也在用量子光學(xué)的方式在實(shí)驗(yàn)中研究因果關(guān)系的不確定性。在美國(guó)，滑鐵盧學(xué)院和圓周理論化學(xué)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，借此獲得了另一種因果混和狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，光子先后通過(guò)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和：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風(fēng)波決定——這就好比，低溫天氣會(huì)降低凍傷病例，也會(huì)降低冰淇淋的銷量，但燙傷與冰淇淋之間并沒(méi)有直接的因果關(guān)系?；F盧學(xué)院的實(shí)驗(yàn)推論與維也納學(xué)院的實(shí)驗(yàn)推論一致：我們難以依照最終測(cè)得的光子狀態(tài)判定原本風(fēng)波之間的因果關(guān)系。
基于這種挑戰(zhàn)因果直覺(jué)的實(shí)驗(yàn)，我們也許還能開(kāi)發(fā)出新的通訊方法。光子作為一個(gè)訊號(hào)，其經(jīng)過(guò)兩個(gè)邏輯門的次序是疊加態(tài)，這可以視為二者同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)送信息。說(shuō)：“簡(jiǎn)單地講，這就是一種事半功倍的通訊方法。”也許，這當(dāng)中還暗含著信息處理的捷徑。
人類已經(jīng)了解到，量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)可以拿來(lái)對(duì)個(gè)別特定的估算做指數(shù)級(jí)別的加速，但這兒涉及的都是精典的因果結(jié)構(gòu)。借助量子因果疊加態(tài)天然具備的單向同步通訊潛力，我們似乎可以進(jìn)一步提高量子信息處理的速率。在人們提出因果關(guān)系疊加態(tài)設(shè)想之初，圓周理論化學(xué)研究所的理論量子化學(xué)學(xué)家Hardy與的研究團(tuán)隊(duì)就早已各自獨(dú)立提出量子物理的應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)若能甩掉精典的確定性因果關(guān)系的限制，其功能似乎會(huì)更強(qiáng)化大。
2016年，的研究團(tuán)隊(duì)展示了一項(xiàng)研究成果，她們借助因果疊加態(tài)的捷徑，致使包含有多個(gè)邏輯門的信息處理合同的效率有了指數(shù)級(jí)別的增強(qiáng)。說(shuō)：“我們還遠(yuǎn)未用盡量子化學(xué)之能，還有更多的加速方式須要研究。”
雖然，搭建必要的量子線路也不是非常復(fù)雜，只要有類似于實(shí)驗(yàn)中所用的量子開(kāi)關(guān)就可以了。“或許我們離實(shí)際應(yīng)用已然不遠(yuǎn)了?！闭f(shuō)道。
統(tǒng)一的宇宙
研究因果論，更重要的意義在于理論本身。量子因果性似乎就能成為探究化學(xué)學(xué)中最深?yuàn)W問(wèn)題的切入點(diǎn)，例如：量子熱學(xué)到底從何而至？
量子理論看上去仿佛是人類為了解釋化學(xué)現(xiàn)象而悉心雕鑿下來(lái)的理論。薛定諤多項(xiàng)式對(duì)于好多量子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都能給出特別確切的預(yù)言，但對(duì)于這個(gè)等式的數(shù)學(xué)意義，化學(xué)學(xué)家依然莫衷一是。過(guò)去20年間，包括Hardy和在內(nèi)的一些化學(xué)學(xué)家和物理家企圖通過(guò)“量子重塑”來(lái)找到理解量子化學(xué)的關(guān)鍵線索：從一些簡(jiǎn)單的公理（比如對(duì)量子態(tài)所含信息，什么操作是容許的，又有什么是不行的）出發(fā)，推導(dǎo)入量子熱學(xué)系統(tǒng)的個(gè)別特點(diǎn)，如疊加、糾纏等。
“因果模型的框架提供了看待那些問(wèn)題的新視角。”KatjaRied說(shuō)。他是德國(guó)因斯布魯克學(xué)院的化學(xué)學(xué)家，以前與滑鐵盧學(xué)院的研究組合作，開(kāi)發(fā)了一套才能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)于大自然怎樣處理、分配信息的理論，這么推想不同風(fēng)波之間的互相影響，其實(shí)可以闡明信息處理過(guò)程所遵守的規(guī)律?！?span style="display:none">5SZ物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
在找尋量子理論與廣義相對(duì)論的統(tǒng)一理論時(shí)，量子因果性似乎還能發(fā)揮更大的作用?！霸趶V義相對(duì)論中，因果結(jié)構(gòu)起到了十分關(guān)鍵的作用。這啟發(fā)我們思索，這些因果性怎樣才能表現(xiàn)出其量子的一面呢？”Ried說(shuō)。
說(shuō)：“我們?cè)谄髨D理解量子熱學(xué)的時(shí)侯，常常會(huì)保留部份精典數(shù)學(xué)的思維，例如‘粒子軌道’就是一個(gè)精典概念。”然而回顧量子化學(xué)的發(fā)展史，雖然常常須要提出趕超舊思維的全新觀念，例如，用全新的方法來(lái)理解因果律。“當(dāng)你有了一個(gè)顛覆性的理論時(shí)，就必需要有愈發(fā)顛覆性的思維才才能理解它。”
撰文Ball
翻譯趙昌昊
審校韓晶晶
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