本報記者常麗君

　　在量子疊加態，量子物體能以兩種不相容的狀態同時存在，比如薛定諤的貓——著名的死活並存的貓。然而最新研究顯示，不僅在空間上不相容的狀態可能並存，連時間上不相容的序列事件也可能。

　　我們通常認為，事件的發生是按照一定的時間順序進行，比如A事件後隨之造成了B事件，反之亦然。但在某些量子過程中，事件的發生並非只按照一種確定的順序，而是同時以兩種順序（A在B之前和B在A之前）發生。這種有悖常理的類似疊加的現象稱為“因果非分離”。

　　奧地利維也納大學的馬特烏斯·埃若喬説：“在日常生活中，我們經歷的事件總是一件隨著一件發生，後果隨著前因，對此我們已經習以為常。所以認識到自然的深層本質並非如此，確實讓人感到有點混亂，事情可以不按照一種確定的因果順序發生，在此我們不能説什麼是因，什麼是果。”

　　迄今為止，科學家只是以一種非常抽象的方式來看待量子力學中的因果非分離現象，還沒有清晰的物理上的解釋。最近，埃若喬與其他合作者一起在《新物理學》雜誌上發表新論文，描述了一種物理量子過程，可作為證明因果非分離的一個例子。

　　論文合著者、法國國家科學研究院和格勒諾布爾阿爾卑斯大學塞利爾·布蘭西亞德説：“相對論動搖了絕對時間的觀念，即認為存在一種絕對的全局性時間，每個人對時間流逝的體驗及與時間的關係都是相同的。而相對論告訴我們，處於不同參照係的兩個觀察者，對於事件發生的先後順序，看法並不一致。”

　　“另一方面，量子理論動搖了我們對‘真實’的理解，它告訴我們，物理系統可能沒有確定的屬性，而是處在一種互不相容的‘疊加’狀態，比如同時處在死活兩種狀態的貓。現在我們發現，不只是物理屬性，就連因果關係（或因果順序）本身也是不確定的，可以處於某種疊加態——但直到不久前，這種現象一直未能在實驗室觀察到。”

　　研究人員探索的因果非分離量子過程稱為“量子開關”（Quantum Switch），是最近提出的一種提高量子電腦效率的方式。在此次研究中，他們介紹了一種因果非分離檢測，類似于檢測量子糾纏。這種新測試不僅能確定量子開關具有因果非分離性，還能確定任何因果非分離過程。這讓新測試更加有用，可用於識別其他系統中的因果非分離性，將來或許能在實驗中進行。

　　研究人員解釋説，由於量子開關是因果非分離的，意味著操作不遵循一定的順序，但並不意味著它違反因果律（如未來事件導致過去事件發生，則違反因果規律），這是因為在量子開關中沒有明確的過去或未來，也沒有確定的誰先誰後。雖然量子開關不違反因果規律，但問題依然存在：實際發生的物理過程是否也能這樣？

　　以往的研究表明，量子開關比標準的因果分離協議在計算上更有優勢，因此因果非分離現象在量子計算中也有應用前景。

　　布蘭西亞德説：“對於量子電腦或任何能執行量子資訊處理任務的設備來説，通常假設它們都是按照一定的順序來執行操作，比如量子電腦標準‘線路模型’的基本假設，通常用於描述量子電腦的工作原理。因此，我們對大部分量子電腦能力（如解決哪種問題、效率高低、運作演算法的複雜性）的了解，只限于具有確定因果順序的操作，即都是因果分離操作。”

　　由於量子理論還允許有因果非分離過程（如量子開關），這就帶來了新的可能性。人們會很自然地期望，因果非分離過程在執行某些任務時能勝過因果分離過程。

　　朱利奧·克裏貝拉提出了這些任務中的一個例子，是關於在某個處理過程中，操作順序如何確定的問題：當你執行“A然後B”，或者執行“B然後A”時，能否得到相同的結果？如果結果相同，這些操作可以説是“互易的”；如果結果不同，則這些操作是“非互易的”。

　　要回答這個問題，一個因果分離過程必須既能執行“A然後B”，又能執行“B然後A”兩種順序，並比較其結果；而一個因果非分離過程，如量子開關，要能同時執行這兩種順序，以量子疊加的形式一步解決問題。非分離過程不僅更高效，而且在某些情況下，是解決問題的唯一方式——比如，執行量子運算的“黑箱”可能只用一次就會破壞，所以這種程式就只能一次性執行。

　　由於量子開關是因果非分離性的最簡單例子，研究人員希望其他的因果非分離過程擁有更大優勢。布蘭西亞德説：“從更普遍的角度説，我希望因果非分離過程還能用於更多情況——就像量子糾纏在量子資訊處理中廣為應用那樣，其全部潛能仍有待發掘。”