先有鸡还是先有蛋?量子实验表明:两者同时有

新浪科技
2018-10-03

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新浪科技2018-10-03

“先有鸡还是先有蛋”这一古老的争论谜题,最早是由古希腊哲学家提出的因果困境。在现实世界里也不难发现,一个事件的发生常由另一个事件引起,即事件间存在着因果关系。然而在量子的世界里,“因”和“果”两个事件却可以同时互为因果,即作为“结果”的事件也可以导致原来作为“原因”的事件的出现。

最近,这种不确定因果顺序(indefinite causal order)被物理学家以实验的方式证明,该成果于 2018 年 8 月 31 日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

“在量子物理中,因果关系并不总是一个事件引起另一个事件那样简单。量子力学中的不可思议之处在于事件可以在没有固定顺序的情况下发生。” 来自澳大利亚昆士兰大学(University of Queensland)工程量子系统卓越中心(Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems)的博士雅基·罗梅罗(Jacqui Romero)说:“比如你每天去上班,需要乘火车和公交车。一般来说,你可能先乘火车再转乘公交车,或是反过来。而在我们的实验中,乘火车和坐公交可以同时发生。这就叫做‘不确定因果顺序’。这种因果关系在我们的平日生活中是无法观测到的。”

为了观察不确定因果顺序效应,罗梅罗团队设计出了“光量子交换器”(photonic quantum switch)来展示这种效应:

首先,他们创造了两个操作算符 A 和 B,用光量子交换器来控制对光子执行 A 和 B两种操作的顺序:1。 先进行操作 A,再进行操作 B;2。 先进行操作 B,再进行操作 A;3。 进行前面两种顺序操作的叠加态。

罗梅罗小组的实验建立在光子的极化相干基础上,因此上述 A 和 B 两个操作都只会发生在特定的空间位置,独立于操作发生的顺序。

接着他们使用干涉仪(interferometer)将光子分束再叠加在一起,中断了不确定因果顺序的可能性。最后,研究人员构建了一个 “因果目击者”(causal witness),成功地测量了超出定序界限的18 个标准差。这也就从实验上证明了光子的量子行为可以存在不确定因果顺序。

这一结果让科学家们开始重新思考我们对“先后”顺序概念的理解。

光量子交换器中的操作 图片来源:论文
光量子交换器中的操作 图片来源:论文

昆士兰大学的法维奥·科斯塔(Fabio Costa)博士说:“在这个装置中,事件为光束形状的转变,发生的顺序取决于极化。通过测量在光量子交换器输出端的光子极化,我们可以展示出光束形状的转变顺序是没有被提前设定的。”

“不过我们现在也只是通过实验证明了这个理论。不确定因果顺序在实际生活中有很多比较重要的应用,比如提高计算机的交流度,让量子计算机变得更高效。”

量子测量顺序的叠加态 图片来源:Jonas Schmöle, Faculty of Physics, University of Vienna
量子测量顺序的叠加态 图片来源:Jonas Schmöle, Faculty of Physics, University of Vienna

量子物理学无疑是当今令人生畏的科学分支之一,它之所以能赢得这一殊荣,是因为它提供的理论框架既复杂又经常违反经典世界的常理。目前,研究人员们所做的大部分工作都是为了更好的理解量子物理学中的一些核心问题。

由于量子物理是以波和粒子为基础,在诸如不确定因果顺序这样的概念的随机性中,寻找新的、实用的测量技术是该领域研究人员的最终目标之一。例如,在去年的另一项研究中,研究人员们使用光量子转换器作为维持量子相干性过程的一部分:粒子量子退相干发生之前的短暂叠加状态。

这个理论本身没有问题,但对物理学家来说,测量它成为实验验证的一个重要障碍。简单地说,如果两个粒子在一场比赛中,我们只能看到它们各自冲刺的结果,而不是叠加态(如果它们不会坍缩或落入量子退相干)。这些异常微妙的粒子测量方法越精细,量子物理学家就越有兴趣继续改进这一过程。

未来,量子世界还能为我们带来哪些惊喜,我们拭目以待。

论文信息

[标题]Causal Order in a Quantum Switch

[作者]K。 Goswami, C。 Giarmatzi, M。 Kewming, F。 Costa, C。 Branciard, J。 Romero, and A。 G。 White

[期刊]Phys。 Rev。 Lett。

[时间]31 August 2018

[DOI]https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.090503

[摘要]Quantum mechanics allows events to happen with no definite causal order: this can be verified by measuring a causal witness, in the same way that an entanglement witness verifies entanglement。 Here, we realize a photonic quantum switch, where two operations^Aand^Bact in a quantum superposition of their two possible orders。 The operations are on the transverse spatial mode of the photons; polarization coherently controls their order。 Our implementation ensures that the operations cannot be distinguished by spatial or temporal position—further it allows qudit encoding in the target。 We confirm our quantum switch has no definite causal order by constructing a causal witness and measuring its value to be 18 standard deviations beyond the definite-order bound。

[链接]

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.090503

参考资料:

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180904114733.htm

https://interestingengineering.com/there-is-no-before-or-after-reveals-new-indefinite-causal-order-study

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