摘要：量子物理学正在挑战我们对现实世界最基本假设之一——因果关系的理解。在维也纳量子科学与技术中心的实验室里，物理学家们成功创建了一种奇异的量子系统，其中事件A导致事件B和事件B导致事件A可以同时发生。这种被称为"不确定因果顺序"的现象不仅颠覆了我们对时间和因果关系

量子物理学正在挑战我们对现实世界最基本假设之一——因果关系的理解。在维也纳量子科学与技术中心的实验室里，物理学家们成功创建了一种奇异的量子系统，其中事件A导致事件B和事件B导致事件A可以同时发生。这种被称为"不确定因果顺序"的现象不仅颠覆了我们对时间和因果关系的直觉理解，更可能为量子计算和量子通信带来前所未有的性能提升。

在经典物理学中，因果关系是绝对的：踢球在先，破窗在后，这个顺序不可颠倒。然而，在量子世界的微观尺度上，这一铁律似乎可以被打破。研究人员发现，就像薛定谔的猫可以同时处于生死叠加态一样，两个具有不同因果顺序的物理过程也能够同时存在于一个量子系统中。

引力量子开关的理论突破

（图片来源：Shutterstock/Hakim Graphy）

昆士兰大学的玛格达莱娜·齐赫团队在2019年提出的"引力量子开关"思想实验，为理解不确定因果顺序提供了重要的理论基础。在这个实验设想中，两名观察者爱丽丝和鲍勃处于一颗质量巨大的恒星附近，根据爱因斯坦的广义相对论，靠近恒星的观察者时钟会走得更慢。

关键的量子特性在于，这颗恒星可以处于空间位置的叠加态：在一种量子态下，爱丽丝比鲍勃更接近恒星，她的时钟走得更慢；在另一种量子态下，鲍勃比爱丽丝更接近恒星，他的时钟走得更慢。当恒星处于这种叠加态时，爱丽丝和鲍勃之间信息传递的时间顺序就变得不确定了。

欧洲核子研究组织的理论物理学家指出，这种现象揭示了量子力学与广义相对论交汇处的深层奥秘。虽然目前还无法在实验室中创造出处于叠加态的恒星，但这一理论为理解量子引力提供了新的视角。

实验室中的量子开关实现

2015年，洛伦佐·普罗科皮奥及其维也纳团队首次在实验室中成功构建了基于光学的量子开关，将不确定因果顺序从理论推向现实。他们的实验装置巧妙地利用了光子的空间叠加态来模拟引力量子开关中的恒星叠加。

在这个实验中，一个光子被发射到分束器上，产生两种可能的路径状态：状态0的光子首先到达爱丽丝的装置进行X方向的偏振旋转，然后传播到鲍勃的装置进行Z方向的旋转；状态1的光子则先遇到鲍勃再遇到爱丽丝。由于X和Z方向的偏振旋转不满足交换律，两种不同的操作顺序会产生不同的结果。

当控制光子路径的量子比特处于0和1的叠加态时，整个系统就展现出不确定因果顺序的特征。两种不同的因果过程——"爱丽丝先操作后鲍勃操作"和"鲍勃先操作后爱丽丝操作"——同时存在于一个量子系统中。

麻省理工学院的量子信息专家评价说，这种实验设计的精妙之处在于将抽象的因果概念转化为可观测和可操控的物理现象。通过测量重新组合后光子之间的干涉效应，研究人员能够直接验证不确定因果顺序的存在。

因果见证与验证方法

2017年，当时在维也纳工作的量子信息研究员朱利亚·鲁比诺与同事们开发了一种名为"因果见证"的数学工具，用于严格验证量子系统中是否真正存在不确定因果顺序。这个方法通过在量子开关上进行一系列特定的实验，计算出一个数学量，该数学量能够明确区分系统具有确定还是不确定的因果顺序。

实验结果令人信服地证实了量子开关中确实存在不确定因果顺序现象。此后，世界各地的多个独立研究组都成功重现了类似的实验结果，进一步确认了这一量子效应的真实性。

欧洲量子旗舰计划的研究报告显示，因果见证方法已成为验证各种量子因果结构的标准工具，为量子因果理论的发展奠定了坚实的实验基础。

计算性能的指数级提升

不确定因果顺序不仅是一个有趣的物理现象，更可能带来实际的技术优势。2019年，由中国科学技术大学潘建伟院士领导的国际研究团队证明，量子开关在分布式量子计算中具有显著优势。

他们的实验表明，在处理需要爱丽丝和鲍勃协作完成的计算任务时，不确定因果顺序能够实现指数级的性能提升。具体而言，当处理长字符串数据时，采用量子开关的系统比传统的确定因果顺序系统快得多。

斯坦福大学的量子计算专家解释说，这种性能提升的根本原因在于，不确定因果顺序允许系统同时探索多种可能的计算路径，从而在量子并行性的基础上进一步提升计算效率。

此外，牛津大学的朱利奥·基里贝拉团队的理论计算表明，不确定因果顺序还能显著增强量子测量的精度。与采用确定因果顺序的技术相比，基于不确定因果顺序的量子计量学方法能够实现更高的测量精度，这对于量子传感和精密测量技术具有重要意义。

未来发展前景与挑战

尽管不确定因果顺序展现出巨大的应用潜力，但确定其在特定问题中是否能提供最优解决方案仍然具有挑战性。例如，研究人员最初认为量子开关在噪声信道通信中具有优势，但后续研究发现，某些采用确定因果顺序的配置方案能够达到与不确定因果顺序相当的性能。

目前，除了基于光学的量子开关外，研究人员还在探索其他类型的不确定因果顺序实现方案，包括"具有因果顺序量子控制的量子电路"。然而，由于技术复杂性，这些更高级的电路尚未在实验室中成功实现。

国际量子信息处理协会的最新报告指出，不确定因果顺序正在加入量子叠加和量子纠缠的行列，成为量子技术工具箱中的又一重要工具。随着量子计算机硬件技术的不断进步，这种奇异的量子现象有望在未来的量子信息处理系统中发挥重要作用。

来源：人工智能学家