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量子力学中还有因果顺序吗？

科技日报记者常丽君

在量子叠加态，量子物体能以两种不相容的状态同时存在，比如薛定谔的猫——著名的死活并存的猫。然而最新研究显示，不仅在空间上不相容的状态可能并存，连时间上不相容的序列事件也可能。

我们通常认为，事件的发生是按照一定的时间顺序进行，比如A事件后随之造成了B事件，反之亦然。但在某些量子过程中，事件的发生并非只按照一种确定的顺序，而是同时以两种顺序（A在B之前和B在A之前）发生。这种有悖常理的类似叠加的现象称为“因果非分离”。

奥地利维也纳大学的马特乌斯·埃若乔说：“在日常生活中，我们经历的事件总是一件随着一件发生，后果随着前因，对此我们已经习以为常。所以认识到自然的深层本质并非如此，确实让人感到有点混乱，事情可以不按照一种确定的因果顺序发生，在此我们不能说什么是因，什么是果。”

迄今为止，科学家只是以一种非常抽象的方式来看待量子力学中的因果非分离现象，还没有清晰的物理上的解释。最近，埃若乔与其他合作者一起在《新物理学》杂志上发表新论文，描述了一种物理量子过程，可作为证明因果非分离的一个例子。

论文合著者、法国国家科学研究院和格勒诺布尔阿尔卑斯大学塞利尔·布兰西亚德说：“相对论动摇了绝对时间的观念，即认为存在一种绝对的全局性时间，每个人对时间流逝的体验及与时间的关系都是相同的。而相对论告诉我们，处于不同参照系的两个观察者，对于事件发生的先后顺序，看法并不一致。”

“另一方面，量子理论动摇了我们对‘真实’的理解，它告诉我们，物理系统可能没有确定的属性，而是处在一种互不相容的‘叠加’状态，比如同时处在死活两种状态的猫。现在我们发现，不只是物理属性，就连因果关系（或因果顺序）本身也是不确定的，可以处于某种叠加态——但直到不久前，这种现象一直未能在实验室观察到。”

研究人员探索的因果非分离量子过程称为“量子开关”（Quantum Switch），是最近提出的一种提高量子计算机效率的方式。在此次研究中，他们介绍了一种因果非分离检测，类似于检测量子纠缠。这种新测试不仅能确定量子开关具有因果非分离性，还能确定任何因果非分离过程。这让新测试更加有用，可用于识别其他系统中的因果非分离性，将来或许能在实验中进行。

研究人员解释说，由于量子开关是因果非分离的，意味着操作不遵循一定的顺序，但并不意味着它违反因果律（如未来事件导致过去事件发生，则违反因果规律），这是因为在量子开关中没有明确的过去或未来，也没有确定的谁先谁后。虽然量子开关不违反因果规律，但问题依然存在：实际发生的物理过程是否也能这样？

以往的研究表明，量子开关比标准的因果分离协议在计算上更有优势，因此因果非分离现象在量子计算中也有应用前景。

布兰西亚德说：“对于量子计算机或任何能执行量子信息处理任务的设备来说，通常假设它们都是按照一定的顺序来执行操作，比如量子计算机标准‘线路模型’的基本假设，通常用于描述量子计算机的工作原理。因此，我们对大部分量子计算机能力（如解决哪种问题、效率高低、运行算法的复杂性）的了解，只限于具有确定因果顺序的操作，即都是因果分离操作。”

由于量子理论还允许有因果非分离过程（如量子开关），这就带来了新的可能性。人们会很自然地期望，因果非分离过程在执行某些任务时能胜过因果分离过程。

朱利奥·克里贝拉提出了这些任务中的一个例子，是关于在某个处理过程中，操作顺序如何确定的问题：当你执行“A然后B”，或者执行“B然后A”时，能否得到相同的结果？如果结果相同，这些操作可以说是“互易的”；如果结果不同，则这些操作是“非互易的”。

要回答这个问题，一个因果分离过程必须既能执行“A然后B”，又能执行“B然后A”两种顺序，并比较其结果；而一个因果非分离过程，如量子开关，要能同时执行这两种顺序，以量子叠加的形式一步解决问题。非分离过程不仅更高效，而且在某些情况下，是解决问题的唯一方式——比如，执行量子运算的“黑箱”可能只用一次就会破坏，所以这种程序就只能一次性执行。

由于量子开关是因果非分离性的最简单例子，研究人员希望其他的因果非分离过程拥有更大优势。布兰西亚德说：“从更普遍的角度说，我希望因果非分离过程还能用于更多情况——就像量子纠缠在量子信息处理中广为应用那样，其全部潜能仍有待发掘。”

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