“先有雞”而且“先有蛋” 量子力學(xué)讓兩個(gè)事件相互觸發(fā)成為可能

一項(xiàng)最新試驗(yàn)表明，當(dāng)研究的對(duì)象變成光子時(shí)，講清楚兩個(gè)事件以何種順序發(fā)生是不可能的。

在日常世界中，事情以特定的順序發(fā)生——你的鬧鐘會(huì)在你起床前響起，反之亦然。不過(guò)，一項(xiàng)最新試驗(yàn)表明，當(dāng)研究的對(duì)象變成光子時(shí)，講清楚兩個(gè)事件以何種順序發(fā)生是不可能的。這磨滅了人們關(guān)于時(shí)間前后的常識(shí)概念，并且可能令因果關(guān)系的概念發(fā)生混亂。這個(gè)被稱為量子開(kāi)關(guān)的裝置或許能為不斷萌生的量子信息技術(shù)提供一種有用的新工具。

量子力學(xué)已經(jīng)顛覆了人們關(guān)于每個(gè)物體同一時(shí)間只能位于一個(gè)地方的認(rèn)知。在量子力學(xué)怪誕性的作用下，像電子一樣的微小粒子能同時(shí)位于多個(gè)地方。量子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了類似的事情：它可以證明事件A能在事件B之前發(fā)生，同時(shí)事件B能在事件A之前發(fā)生。

“看到人們利用真實(shí)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了我們的想法，我非常激動(dòng)。”2009年首次提出這個(gè)概念的理論學(xué)家之一、英國(guó)牛津大學(xué)的Giulio Chiribella表示。

為展示這一效應(yīng)，澳大利亞昆士蘭大學(xué)物理學(xué)家Andrew White和同事向一個(gè)被稱為干涉儀的裝置發(fā)射光子。在該裝置中，兩個(gè)通道分開(kāi)然后重新合并。光子既是一種粒子，也是可被極化從而在水平或垂直方向上蜿蜒前行的電磁波。研究人員對(duì)這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)置：如果光子在垂直方向被極化，它將首先通過(guò)平臺(tái)的左側(cè)路徑，然后“沖回來(lái)”并且通過(guò)一個(gè)不同的“端口”，即右側(cè)路徑，進(jìn)入裝置。如果光子在水平方向被極化，它將先采用右側(cè)路徑然后是左側(cè)路徑。

不過(guò)，量子力學(xué)允許光子同時(shí)以兩種方式被極化，從而使其出現(xiàn)對(duì)角極化。當(dāng)被對(duì)角極化的光子進(jìn)入上述裝置時(shí)，描述它的量子波分裂成垂直極化和水平極化的兩部分。而光子同時(shí)采用兩個(gè)路徑，然后量子波在裝置出口處再次合并。當(dāng)光子重復(fù)這一“旅程”時(shí)，會(huì)再次采用兩個(gè)路徑，盡管光子量子波的每個(gè)部分每次只走一條路。因此，講清楚光子以何種順序通過(guò)了路徑是不可能的。

棘手的部分在于證明試驗(yàn)中發(fā)生了什么。物理學(xué)家不可能插入揭示光子可能位于“迷宮”何處的探測(cè)器。由于量子的怪誕性，這種明確的測(cè)量會(huì)讓光子同時(shí)采用兩個(gè)路徑的微妙條件“崩塌”并且毀掉試驗(yàn)。相反，物理學(xué)家必須尋找一些更加溫和的方式，在光子上印一些其通過(guò)特定路徑的痕跡。

為此，研究人員利用除極化外每個(gè)光脈沖都擁有形狀或空間分布的事實(shí)，通過(guò)把鏡頭和其他光學(xué)元件放置到每個(gè)路徑上從而“擺弄”通過(guò)的光子，而且溫和地改變光脈沖的形狀。這些變化是試驗(yàn)中發(fā)生的真實(shí)“事件”，同時(shí)取決于物理學(xué)家沿著每條路徑施加哪些小的系列變化，光子的極化能從一個(gè)對(duì)角線方向翻轉(zhuǎn)成另一個(gè)。在這個(gè)過(guò)程中，量子波的兩部分重新合并。這種微妙的連接是試驗(yàn)的關(guān)鍵。

在多次試驗(yàn)中，物理學(xué)家在兩個(gè)路徑中施加了不同組合的形狀改變，就像在一堆設(shè)置中選擇兩個(gè)不同的按鈕。如果每個(gè)光子最先明確選擇了其中一條路徑，按鈕設(shè)置之間的關(guān)聯(lián)以及光子最終的極化必須遵循特定限制。不過(guò)，如果兩者最先采用了兩條路徑，這種關(guān)聯(lián)將超越此類限制。這正是物理學(xué)家在《物理評(píng)論快報(bào)》一篇文章中觀察到的東西。

按照現(xiàn)在情況，試驗(yàn)者在兩條路徑上單獨(dú)選擇一些操作。不過(guò)，致力于該試驗(yàn)的法國(guó)奈爾研究所物理學(xué)家Cyril Branciard表示，原則上，試驗(yàn)表明量子力學(xué)使兩個(gè)過(guò)程相互觸發(fā)成為可能?！叭藗兛赡苡龅竭@種情形，即事件A引發(fā)事件B，同時(shí)事件B引發(fā)事件A。”