先有雞還是先有蛋？量子實驗表明：兩者同時「有」

知識 10-03

圖片來源：sciencedaily.com

「先有雞還是先有蛋」這一古老的爭論謎題，最早是由古希臘哲學家提出的因果困境。在現實世界裡也不難發現，一個事件的發生常由另一個事件引起，即事件間存在著因果關係。然而在量子的世界裡，「因」和「果」兩個事件卻可以同時互為因果，即作為「結果」的事件也可以導致原來作為「原因」的事件的出現。

最近，這種不確定因果順序（indefinite causal order）被物理學家以實驗的方式證明，該成果於 2018 年 8 月 31 日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

撰文向菲菲

編輯徐文慧

「在量子物理中，因果關係並不總是一個事件引起另一個事件那樣簡單。量子力學中的不可思議之處在於事件可以在沒有固定順序的情況下發生。」來自澳大利亞昆士蘭大學（University of Queensland）工程量子系統卓越中心（Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems）的博士雅基·羅梅羅（Jacqui Romero）說：「比如你每天去上班，需要乘火車和公交車。一般來說，你可能先乘火車再轉乘公交車，或是反過來。而在我們的實驗中，乘火車和坐公交可以同時發生。這就叫做『不確定因果順序』。這種因果關係在我們的平日生活中是無法觀測到的。」

為了觀察不確定因果順序效應，羅梅羅團隊設計出了「光量子交換器」（photonic quantum switch）來展示這種效應：

首先，他們創造了兩個操作算符 A 和 B，用光量子交換器來控制對光子執行 A 和 B 兩種操作的順序：1. 先進行操作 A，再進行操作 B；2. 先進性操作 B，再進行操作 A；3. 進行前面兩種順序操作的疊加態。

羅梅羅小組的實驗建立在光子的極化相干基礎上，因此上述 A 和 B 兩個操作都只會發生在特定的空間位置，獨立於操作發生的順序。

接著他們使用干涉儀（interferometer）將光子分束再疊加在一起，中斷了不確定因果順序的可能性。最後，研究人員構建了一個「因果目擊者」（causal witness），成功地測量了超出定序界限的 18 個標準差。這也就從實驗上證明了光子的量子行為可以存在不確定因果順序。

這一結果讓科學家們開始重新思考我們對「先後」順序概念的理解。

光量子交換器中的操作

圖片來源：論文

昆士蘭大學的法維奧·科斯塔（Fabio Costa）博士說：「在這個裝置中，事件為光束形狀的轉變，發生的順序取決於極化。通過測量在光量子交換器輸出端的光子極化，我們可以展示出光束形狀的轉變順序是沒有被提前設定的。」

「不過我們現在也只是通過實驗證明了這個理論。不確定因果順序在實際生活中有很多比較重要的應用，比如提高計算機的交流度，讓量子計算機變得更高效。」

量子測量順序的疊加態

圖片來源：Jonas Schm?le, Faculty of Physics, University of Vienna

量子物理學無疑是當今令人生畏的科學分支之一，它之所以能贏得這一殊榮，是因為它提供的理論框架既複雜又經常違反經典世界的常理。目前，研究人員們所做的大部分工作都是為了更好的理解量子物理學中的一些核心問題。

由於量子物理是以波和粒子為基礎，在諸如不確定因果順序這樣的概念的隨機性中，尋找新的、實用的測量技術是該領域研究人員的最終目標之一。例如，在去年的另一項研究中，研究人員們使用光量子轉換器作為維持量子相干性過程的一部分：粒子量子退相干發生之前的短暫疊加狀態。

這個理論本身沒有問題，但對物理學家來說，測量它成為實驗驗證的一個重要障礙。簡單地說，如果兩個粒子在一場比賽中，我們只能看到它們各自衝刺的結果，而不是疊加態（如果它們不會坍縮或落入量子退相干）。這些異常微妙的粒子測量方法越精細，量子物理學家就越有興趣繼續改進這一過程。

未來，量子世界還能為我們帶來哪些驚喜，我們拭目以待。

論文信息

【標題】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.

【時間】 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 ^A and ^B act 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.

【鏈接】

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

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

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