量子力学杀死了因果顺序？

在量子叠加态中，量子物体可以同时处于两个在经典世界里不相容的态，如同著名的“薛定谔的猫”处于既活又死的叠加态一样。而最近的研究表明，量子物体不仅可以处于两个不相容态的叠加，还可以处于两个事件顺序的叠加。我们通常认为时间按照一个确定的时间顺序发生，比如A发生了，（并导致了）之后B发生，或者反过来。然而，在特定的量子过程中，事件不会按照某一个确定的顺序发生，而是同时按照两个不同的顺序（A在B前面，A在B后面）发生。这种反直觉的现象被称为“因果不可分离性”（causal nonseparability）。
“在日常生活中，我们都习惯于经历一件事情接在另一件事情之后发生，原因先于结果，”维也纳大学与维也纳量子光学与量子信息中心的物理学家Mateus Araújo说，“因此，如果发现大自然在背后其实并不按照这一套工作，事件可以不按照一个确定的因果顺序发生，可能会让人有点不安。”

在此之前，量子力学中的因果不可分离性一直都是一个抽象的构想，没有清晰的物理学诠释，但在最新的《新物理学杂志》（New Journal of Physics）发表的一篇论文中，Araújo和他的合作者提出了一个物理上的量子过程例子，可以描述因果不可分离性。



这张图描绘的是对因果不可分离性的检测，该检测可以确定某个量子过程是不是因果不可分离的。图片来源：Araújo, et al.

“爱因斯坦的相对论已经动摇了绝对的全局时空观，告诉我们每个人所经历的时间，以及时间关系是可以不相同的：两个不同参考系中的不同观察者，对于两个事件发生的先后顺序的观察结果或许会不同。”论文的另一位作者，法国国家科学研究中心与格勒诺布尔阿尔卑斯大学的Cyril Branciard说。

“而另一方面，量子力学则动摇了我们对‘真实’的理解。它告诉我们，物理系统可能不会拥有定义明确、界限分明的性质，而是处于几种不相容状态的叠加上，比方说，一只可怜的猫可能同时既是活的也是死的。而现在我们发现，不仅物理状态之间的界限不再分明，甚至因果关系（或者说因果顺序）也会变得不再明确，可以处于某种程度上的叠加。”

量子开关

物理学家在这里讨论的因果不可分离的量子过程被称为“量子开关”（quantum switch），这是最近被提出来用于提高量子计算机效率的概念。在这项新研究中，物理学家引入了一种测试来检测因果不可分离性，它与测试量子纠缠的方法类似。如果一个操作是经典的（即只包含可分离的时间顺序或非纠缠态），测试会产生一定范围内的值，而反之则会产生另外一些范围内的值。

物理学家表明，任何量子过程的因果不可分离性可以通过这种新的方法检测出来。在未来，它或许可以帮助我们在其他系统里通过实验检测因果不可分离性。

研究者解释说，量子开关的因果不可分离性（即该操作不遵循一个确定的顺序）并不意味着它破坏了因果律，比如让原本后发生的事情先发生了之类的。这是因为量子开关中本来就没有确定的过去或未来，不会有哪个事件“本该”在另一个事件之前或者之后发生。虽然量子开关并不违反因果律，但科学家还不清楚关于真实发生的物理过程能否实现这样的效果。

因果不可分离性用于计算

此前的研究已经指出量子开关在计算方面比因果分离的协议更有优势，这表明因果不可分离性在量子计算方面可能有应用前景。

“人们在研究量子计算机或是其他能够进行量子信息处理任务的设备时，通常假设它们是按照某个特定顺序工作的，”Branciard说，“这是量子计算中标准‘回路模型’（circuit model）的基本假设，常用于描述量子计算机工作原理。因此，我们对于量子计算机能力的了解，只局限于有特定因果顺序的操作——即因果分离的操作中。”

“意识到了量子理论还包含因果不可分离的过程（如量子开关），就为量子计算打开了新的可能性，我们可以很自然地期望因果不可分离的过程能在一些任务上取得更好的效果。”

物理学家Giulio Chiribella提出了一个例子来展示操作顺序是否固定有何影响：如果执行“先A后B”与“先B后A”得到的结果相同，这些操作就被成为是“对易”的（commute），否则就是“反对易”的（anticommute）。

为了搞清楚某个操作是对易的还是反对易的，一个因果分离的过程必须进行“先A后B”和“先B后A”两项操作，并比较结果。而另一方面，因果不可分离的过程，如量子开关，就可以在量子叠加态中同时进行两个顺序的过程，从而一步解决问题。从这个角度看，因果不可分离过程不仅效率更高，在有些问题中甚至还是唯一的解决方法——比方说，如果有的“黑箱”在一次操作之后就会被损坏，那就必须在一步之内解决问题。

由于量子开关只是因果不可分离性的最简单的例子，物理学家希望其他的因果不可分离过程还能带来更大的惊喜。

“从更普遍的角度讲，我希望因果不可分离过程能在其他各种场景下得到应用——就像量子纠缠能在量子信息处理的各个方面得到应用一样，”Branciard说，“因果不可分离性的强大威力还在等待我们挖掘，这使该领域研究充满了激动人心的魅力。”

量子概念是1900年普朗克首先提出的，到今天已经整整一百年了。期间，经过玻尔、德布罗意、玻恩、海森柏、等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，初步建立了一套完整的量子力学理论。
量子力学在理论上日臻圆融，实践上也战无不胜，其观点很独特：粒子状态没有“有”和“无”，只有概率；物质没有实体，都是一群弥散的波函数；更让传统物理学家无法接受的是，微观世界里，质量和速度没法同时测准，而且观测者的主观观测行为能够影响被观测物的客观状态。通俗的说，就是在我们没去观察前，微观物体处于一种模糊地、虚无的概率状态，一旦我们去观测，它就立刻“配合的”变成了某一种特定状态给我们看。不得不说，这种观点在哲学上那是相当的唯心。
这让一大批持唯物主义世界观的科学家感觉非常不爽，这算什么，这不是拆经典大厦的地基嘛！于是物理学术界刮起了一场风暴。深受世界人民敬仰的、科学界的巨擘泰斗爱因斯坦教授，放下架子，亲自上阵，带头声讨以哥本哈根学派为代表的量子力学科学家，天天查理论挑毛病，月月想实验踢场子。哥本哈根学派那边也有物理学一代宗师波尔罩着，兵来将挡，见招拆招，领着一帮科学家和爱因斯坦一派在理论界斗得难解难分。
其中爱因斯坦在1930年的第6次索尔维会议上提出了著名的光匣假设，几乎把波尔噎死，最后波尔冥思一天，绝地反击，还以彼之道还施彼身，用爱因斯坦自己的狭义相对论证明了光匣的错误，把个老爱打的人仰马翻。此役下来，不少支持爱因斯坦的科学家都倒戈投敌了，差点儿成了他一个人的战斗。爱因斯坦教授是很顽强的坚持着自己的哲学观，转而继续寻找理论上的其他漏洞。虽然爱因斯坦和玻尔之间在对于量子力学的哲学意义的认识上存在着激烈的争执，但这丝毫不影响两人之间的友谊，他们私下里始终都是很好的朋友。

混沌状态的猫
在双方相互拍砖的过程中，一个叫薛定谔的奥地利物理学家被哥本哈根学派拍中挂了彩。薛教授提出了用来计算量子态的薛定谔方程：
▽??ψ(x，y，z)+(8π??m/h??)[E-U(x，y，z)]ψ(x，y，z)＝0，
薛定谔其实是量子力学的奠基人之一，但是他也不喜欢虚无主义，因为他的波函数被新量子理论一解释，变得很容易急速坍缩，他的方程被搞臭了，这个结果把他自己郁闷的不行。为了找回场子，经过冥思苦想，薛定谔在１９３５年发表了一篇题为《量子力学的现状》论文。文中假设了一个实验：
按照哥本哈根派的说法，没有测量之前，一个微观粒子的状态是模糊不清的，处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性 原子它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它便处于衰变/不衰变的叠加状态中，同时存在有和无以及各种可能，就像我们说的混沌状态。只有确实地测量了，它才随机选择一种状态而出现，否则就像一个模糊物一样没法描述。
那么让我们把这个原子（比如镭原子）放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。再将一只猫和一只装有氰化物毒气的瓶子放到密闭容器里。镭的衰变存在几率：
1.如果镭原子发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会被毒死；
2.如果镭原子不发生衰变，瓶子不破，猫就存活下来。
由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态，嗯，就是一种即没死也没活的奇怪状态。在没有打开箱子观察之前，这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。
为了加强读者的共鸣，薛定谔还规定这只可怜的猫是一只母猫，就是哥本哈根学派的理论让“她”处于之中不死不活的悲惨状态。一只即没有生也没有死的混沌猫，多么荒谬加残忍啊，大家一起来鄙视波尔他们！通过推断出一只这样没死没活状态的猫，薛定谔间接地质疑了量子力学宏观化的客观性。
当然，我们不提哥本哈根学派是怎么回击他的文章，也不提后来薛定谔反而没有他的猫名气大的结局。单就这只猫是否具有弥散波函数的叠加性，在学界引立即起了更加激烈的PK行为。因为量子力学在微观世界里无往不胜，成了就像铁一样的真理，非主流科学家在微观上踢场子总是吃瘪，所以，受薛定谔猫的启发，爱因斯坦（注意，可怜的老爱这时候已经沦为非主流了）又跳出来在更广阔的宏观上挑战波尔，说按照量子力学的推论，那我们在不看月亮的时候，月亮还存在吗？

混沌状态的月亮
这是个重磅炸dan，可是大宗师波尔还真不怕，立即给出了解释 按量子力学来说，因为月亮也是由不确定的粒子组成的，所以如果我们转过头不去看月亮，那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎，月亮的边缘开始显得模糊而不确定，它逐渐“融化”，变成概率波扩散到周围的空间里去。当然这么大一个月亮完全融化成空间中的概率是需要很长很长时间的，不过问题的实质是：要是不观察月亮，它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不观察它时，一个确定的，客观的月亮是不存在的。但只要一回头，一轮明月便又高悬空中，似乎什么事也没发生过一样。

科学家的目标是把一个普通的微生物放在不确定的叠加态上，这与处于“既是死的又是活的”叠加态上的薛定谔的猫有着异曲同工之妙。不过他们只打算让细菌的位置处于不确定状态，

埃尔温•薛定谔（Erwin Schrödinger）在1935年提出了那项著名的思想实验。实验中， 一只猫被关在一个密闭的盒子里，与它一起的还有一个小的射线源、盖革计数器、一个锤子和一小瓶毒药。如果放射源中有一个原子衰变了，盖革计数器就会引发设备释放毒药，因此猫的状态就与放射性材料的状态相“纠缠”。由于原子的衰变无法预测，此时的猫就处在活着与死去的叠加态上。

虽然这个想法引发了无数人的兴趣，但至今无人实现一个活着的有机体的量子叠加态。