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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 專業(yè)學科區(qū) » 物理 » 理論物理&天文 » 量子力學殺死了因果順序？
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量子力學殺死了因果順序？ 已有6人參與
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在量子疊加態(tài)中，量子物體可以同時處于兩個在經(jīng)典世界里不相容的態(tài)，如同著名的“薛定諤的貓”處于既活又死的疊加態(tài)一樣。而最近的研究表明，量子物體不僅可以處于兩個不相容態(tài)的疊加，還可以處于兩個事件順序的疊加。我們通常認為時間按照一個確定的時間順序發(fā)生，比如A發(fā)生了，（并導致了）之后B發(fā)生，或者反過來。然而，在特定的量子過程中，事件不會按照某一個確定的順序發(fā)生，而是同時按照兩個不同的順序（A在B前面，A在B后面）發(fā)生。這種反直覺的現(xiàn)象被稱為“因果不可分離性”（causal nonseparability）。 “在日常生活中，我們都習慣于經(jīng)歷一件事情接在另一件事情之后發(fā)生，原因先于結(jié)果，”維也納大學與維也納量子光學與量子信息中心的物理學家Mateus Araújo說，“因此，如果發(fā)現(xiàn)大自然在背后其實并不按照這一套工作，事件可以不按照一個確定的因果順序發(fā)生，可能會讓人有點不安�！� 在此之前，量子力學中的因果不可分離性一直都是一個抽象的構(gòu)想，沒有清晰的物理學詮釋，但在最新的《新物理學雜志》（New Journal of Physics）發(fā)表的一篇論文中，Araújo和他的合作者提出了一個物理上的量子過程例子，可以描述因果不可分離性。 “愛因斯坦的相對論已經(jīng)動搖了絕對的全局時空觀，告訴我們每個人所經(jīng)歷的時間，以及時間關系是可以不相同的：兩個不同參考系中的不同觀察者，對于兩個事件發(fā)生的先后順序的觀察結(jié)果或許會不同�！闭撐牡牧硪晃蛔髡�，法國國家科學研究中心與格勒諾布爾阿爾卑斯大學的Cyril Branciard說。 “而另一方面，量子力學則動搖了我們對‘真實’的理解。它告訴我們，物理系統(tǒng)可能不會擁有定義明確、界限分明的性質(zhì)，而是處于幾種不相容狀態(tài)的疊加上，比方說，一只可憐的貓可能同時既是活的也是死的。而現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，不僅物理狀態(tài)之間的界限不再分明，甚至因果關系（或者說因果順序）也會變得不再明確，可以處于某種程度上的疊加�！� 量子開關 物理學家在這里討論的因果不可分離的量子過程被稱為“量子開關”（quantum switch），這是最近被提出來用于提高量子計算機效率的概念。在這項新研究中，物理學家引入了一種測試來檢測因果不可分離性，它與測試量子糾纏的方法類似。如果一個操作是經(jīng)典的（即只包含可分離的時間順序或非糾纏態(tài)），測試會產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的值，而反之則會產(chǎn)生另外一些范圍內(nèi)的值。 物理學家表明，任何量子過程的因果不可分離性可以通過這種新的方法檢測出來。在未來，它或許可以幫助我們在其他系統(tǒng)里通過實驗檢測因果不可分離性。 研究者解釋說，量子開關的因果不可分離性（即該操作不遵循一個確定的順序）并不意味著它破壞了因果律，比如讓原本后發(fā)生的事情先發(fā)生了之類的。這是因為量子開關中本來就沒有確定的過去或未來，不會有哪個事件“本該”在另一個事件之前或者之后發(fā)生。雖然量子開關并不違反因果律，但科學家還不清楚關于真實發(fā)生的物理過程能否實現(xiàn)這樣的效果。 因果不可分離性用于計算 此前的研究已經(jīng)指出量子開關在計算方面比因果分離的協(xié)議更有優(yōu)勢，這表明因果不可分離性在量子計算方面可能有應用前景。 “人們在研究量子計算機或是其他能夠進行量子信息處理任務的設備時，通常假設它們是按照某個特定順序工作的，”Branciard說，“這是量子計算中標準‘回路模型’（circuit model）的基本假設，常用于描述量子計算機工作原理。因此，我們對于量子計算機能力的了解，只局限于有特定因果順序的操作——即因果分離的操作中�！� “意識到了量子理論還包含因果不可分離的過程（如量子開關），就為量子計算打開了新的可能性，我們可以很自然地期望因果不可分離的過程能在一些任務上取得更好的效果。” 物理學家Giulio Chiribella提出了一個例子來展示操作順序是否固定有何影響：如果執(zhí)行“先A后B”與“先B后A”得到的結(jié)果相同，這些操作就被成為是“對易”的（commute），否則就是“反對易”的（anticommute）。 為了搞清楚某個操作是對易的還是反對易的，一個因果分離的過程必須進行“先A后B”和“先B后A”兩項操作，并比較結(jié)果。而另一方面，因果不可分離的過程，如量子開關，就可以在量子疊加態(tài)中同時進行兩個順序的過程，從而一步解決問題。從這個角度看，因果不可分離過程不僅效率更高，在有些問題中甚至還是唯一的解決方法——比方說，如果有的“黑箱”在一次操作之后就會被損壞，那就必須在一步之內(nèi)解決問題。 由于量子開關只是因果不可分離性的最簡單的例子，物理學家希望其他的因果不可分離過程還能帶來更大的驚喜。 “從更普遍的角度講，我希望因果不可分離過程能在其他各種場景下得到應用——就像量子糾纏能在量子信息處理的各個方面得到應用一樣，”Branciard說，“因果不可分離性的強大威力還在等待我們挖掘，這使該領域研究充滿了激動人心的魅力�！保ㄗ模豪蛩_•齊加（Lisa Zyga） 翻譯：丁家琦） |
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不符合因果定律的不是量子力學。相反是如果我們從經(jīng)典存在觀出發(fā)的話，那么實驗觀測到的量子現(xiàn)象違反了因果定律。或者說非超距的經(jīng)典物理不可能符合因果定律。所有這些實驗里的悖論都是經(jīng)典假設導致的。所以必須要采用量子力學理論才能保持因果關系。 發(fā)自小木蟲IOS客戶端 |
3樓2015-11-09 22:10:45
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7樓2015-11-11 20:09:11
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