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新手已上路木蟲 (職業(yè)作家)
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量子力學(xué)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(shí)處于兩個(gè)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(gè)不相容態(tài)的疊加，還可以處于兩個(gè)事件順序的疊加。我們通常認(rèn)為時(shí)間按照一個(gè)確定的時(shí)間順序發(fā)生，比如A發(fā)生了，（并導(dǎo)致了）之后B發(fā)生，或者反過(guò)來(lái)。然而，在特定的量子過(guò)程中，事件不會(huì)按照某一個(gè)確定的順序發(fā)生，而是同時(shí)按照兩個(gè)不同的順序（A在B前面，A在B后面）發(fā)生。這種反直覺(jué)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(xí)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(xué)與維也納量子光學(xué)與量子信息中心的物理學(xué)家Mateus Araújo說(shuō)，“因此，如果發(fā)現(xiàn)大自然在背后其實(shí)并不按照這一套工作，事件可以不按照一個(gè)確定的因果順序發(fā)生，可能會(huì)讓人有點(diǎn)不安。” 在此之前，量子力學(xué)中的因果不可分離性一直都是一個(gè)抽象的構(gòu)想，沒(méi)有清晰的物理學(xué)詮釋，但在最新的《新物理學(xué)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(gè)物理上的量子過(guò)程例子，可以描述因果不可分離性。 “愛(ài)因斯坦的相對(duì)論已經(jīng)動(dòng)搖了絕對(duì)的全局時(shí)空觀，告訴我們每個(gè)人所經(jīng)歷的時(shí)間，以及時(shí)間關(guān)系是可以不相同的：兩個(gè)不同參考系中的不同觀察者，對(duì)于兩個(gè)事件發(fā)生的先后順序的觀察結(jié)果或許會(huì)不同�！闭撐牡牧硪晃蛔髡�，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心與格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)的Cyril Branciard說(shuō)。 “而另一方面，量子力學(xué)則動(dòng)搖了我們對(duì)‘真實(shí)’的理解。它告訴我們，物理系統(tǒng)可能不會(huì)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(shuō)，一只可憐的貓可能同時(shí)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(guān)系（或者說(shuō)因果順序）也會(huì)變得不再明確，可以處于某種程度上的疊加。” 量子開關(guān) 物理學(xué)家在這里討論的因果不可分離的量子過(guò)程被稱為“量子開關(guān)”（quantum switch），這是最近被提出來(lái)用于提高量子計(jì)算機(jī)效率的概念。在這項(xiàng)新研究中，物理學(xué)家引入了一種測(cè)試來(lái)檢測(cè)因果不可分離性，它與測(cè)試量子糾纏的方法類似。如果一個(gè)操作是經(jīng)典的（即只包含可分離的時(shí)間順序或非糾纏態(tài)），測(cè)試會(huì)產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的值，而反之則會(huì)產(chǎn)生另外一些范圍內(nèi)的值。 物理學(xué)家表明，任何量子過(guò)程的因果不可分離性可以通過(guò)這種新的方法檢測(cè)出來(lái)。在未來(lái)，它或許可以幫助我們?cè)谄渌到y(tǒng)里通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)因果不可分離性。 研究者解釋說(shuō)，量子開關(guān)的因果不可分離性（即該操作不遵循一個(gè)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?yàn)榱孔娱_關(guān)中本來(lái)就沒(méi)有確定的過(guò)去或未來(lái)，不會(huì)有哪個(gè)事件“本該”在另一個(gè)事件之前或者之后發(fā)生。雖然量子開關(guān)并不違反因果律，但科學(xué)家還不清楚關(guān)于真實(shí)發(fā)生的物理過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)這樣的效果。 因果不可分離性用于計(jì)算 此前的研究已經(jīng)指出量子開關(guān)在計(jì)算方面比因果分離的協(xié)議更有優(yōu)勢(shì)，這表明因果不可分離性在量子計(jì)算方面可能有應(yīng)用前景。 “人們?cè)谘芯苛孔佑?jì)算機(jī)或是其他能夠進(jìn)行量子信息處理任務(wù)的設(shè)備時(shí)，通常假設(shè)它們是按照某個(gè)特定順序工作的，”Branciard說(shuō)，“這是量子計(jì)算中標(biāo)準(zhǔn)‘回路模型’（circuit model）的基本假設(shè)，常用于描述量子計(jì)算機(jī)工作原理。因此，我們對(duì)于量子計(jì)算機(jī)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(shí)到了量子理論還包含因果不可分離的過(guò)程（如量子開關(guān)），就為量子計(jì)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(guò)程能在一些任務(wù)上取得更好的效果�！� 物理學(xué)家Giulio Chiribella提出了一個(gè)例子來(lái)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(duì)易”的（commute），否則就是“反對(duì)易”的（anticommute）。 為了搞清楚某個(gè)操作是對(duì)易的還是反對(duì)易的，一個(gè)因果分離的過(guò)程必須進(jìn)行“先A后B”和“先B后A”兩項(xiàng)操作，并比較結(jié)果。而另一方面，因果不可分離的過(guò)程，如量子開關(guān)，就可以在量子疊加態(tài)中同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)順序的過(guò)程，從而一步解決問(wèn)題。從這個(gè)角度看，因果不可分離過(guò)程不僅效率更高，在有些問(wèn)題中甚至還是唯一的解決方法——比方說(shuō)，如果有的“黑箱”在一次操作之后就會(huì)被損壞，那就必須在一步之內(nèi)解決問(wèn)題。 由于量子開關(guān)只是因果不可分離性的最簡(jiǎn)單的例子，物理學(xué)家希望其他的因果不可分離過(guò)程還能帶來(lái)更大的驚喜。 “從更普遍的角度講，我希望因果不可分離過(guò)程能在其他各種場(chǎng)景下得到應(yīng)用——就像量子糾纏能在量子信息處理的各個(gè)方面得到應(yīng)用一樣，”Branciard說(shuō)，“因果不可分離性的強(qiáng)大威力還在等待我們挖掘，這使該領(lǐng)域研究充滿了激動(dòng)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(xué)。相反是如果我們從經(jīng)典存在觀出發(fā)的話，那么實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的量子現(xiàn)象違反了因果定律�；蛘哒f(shuō)非超距的經(jīng)典物理不可能符合因果定律。所有這些實(shí)驗(yàn)里的悖論都是經(jīng)典假設(shè)導(dǎo)致的。所以必須要采用量子力學(xué)理論才能保持因果關(guān)系。 發(fā)自小木蟲IOS客戶端 |
3樓2015-11-09 22:10:45
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4樓2015-11-10 11:55:28
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