“先有雞”而且“先有蛋” 量子力學讓兩個事件相互觸發成為可能

一項最新試驗表明，當研究的對象變成光子時，講清楚兩個事件以何種順序發生是不可能的。

在日常世界中，事情以特定的順序發生——你的鬧鐘會在你起床前響起，反之亦然。不過，一項最新試驗表明，當研究的對象變成光子時，講清楚兩個事件以何種順序發生是不可能的。這磨滅了人們關于時間前后的常識概念，并且可能令因果關系的概念發生混亂。這個被稱為量子開關的裝置或許能為不斷萌生的量子信息技術提供一種有用的新工具。

量子力學已經顛覆了人們關于每個物體同一時間只能位于一個地方的認知。在量子力學怪誕性的作用下，像電子一樣的微小粒子能同時位于多個地方。量子開關實現了類似的事情：它可以證明事件A能在事件B之前發生，同時事件B能在事件A之前發生。

“看到人們利用真實試驗實現了我們的想法，我非常激動?！?009年首次提出這個概念的理論學家之一、英國牛津大學的Giulio Chiribella表示。

為展示這一效應，澳大利亞昆士蘭大學物理學家Andrew White和同事向一個被稱為干涉儀的裝置發射光子。在該裝置中，兩個通道分開然后重新合并。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。研究人員對這個平臺進行了設置：如果光子在垂直方向被極化，它將首先通過平臺的左側路徑，然后“沖回來”并且通過一個不同的“端口”，即右側路徑，進入裝置。如果光子在水平方向被極化，它將先采用右側路徑然后是左側路徑。

不過，量子力學允許光子同時以兩種方式被極化，從而使其出現對角極化。當被對角極化的光子進入上述裝置時，描述它的量子波分裂成垂直極化和水平極化的兩部分。而光子同時采用兩個路徑，然后量子波在裝置出口處再次合并。當光子重復這一“旅程”時，會再次采用兩個路徑，盡管光子量子波的每個部分每次只走一條路。因此，講清楚光子以何種順序通過了路徑是不可能的。

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

為此，研究人員利用除極化外每個光脈沖都擁有形狀或空間分布的事實，通過把鏡頭和其他光學元件放置到每個路徑上從而“擺弄”通過的光子，而且溫和地改變光脈沖的形狀。這些變化是試驗中發生的真實“事件”，同時取決于物理學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對角線方向翻轉成另一個。在這個過程中，量子波的兩部分重新合并。這種微妙的連接是試驗的關鍵。

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

按照現在情況，試驗者在兩條路徑上單獨選擇一些操作。不過，致力于該試驗的法國奈爾研究所物理學家Cyril Branciard表示，原則上，試驗表明量子力學使兩個過程相互觸發成為可能。“人們可能遇到這種情形，即事件A引發事件B，同時事件B引發事件A。”