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“先有鸡”而且“先有蛋” 量子力学让两个事件相互触发成为可能

2018/08/28作者:来源:中国科学报

  图片来源:KEITHBISHOP/ISTOCKPHOTO

  在日常世界中,事情以特定的顺序发生——你的闹钟会在你起床前响起,反之亦然。不过,一项最新试验表明,当研究的对象变成光子时,讲清楚两个事件以何种顺序发生是不可能的。这抹灭了人们关于时间前后的常识概念,并且可能令因果关系的概念发生混乱。这个被称为量子开关的装置或许能为不断萌生的量子信息技术提供一种有用的新工具。

  量子力学已经颠覆了人们关于每个物体同一时间只能位于一个地方的认知。在量子力学怪诞性的作用下,像电子一样的微小粒子能同时位于多个地方。量子开关实现了类似的事情:它可以证明事件A能在事件B之前发生,同时事件B能在事件A之前发生。

  “看到人们利用真实试验实现了我们的想法,我非常激动。”2009年首次提出这个概念的理论学家之一、英国牛津大学的Giulio Chiribella表示。

  为展示这一效应,澳大利亚昆士兰大学物理学家Andrew White和同事向一个被称为干涉仪的装置发射光子。在该装置中,两个通道分开然后重新合并。光子既是一种粒子,也是可被极化从而在水平或垂直方向上蜿蜒前行的电磁波。研究人员对这个平台进行了设置:如果光子在垂直方向被极化,它将首先通过平台的左侧路径,然后“冲回来”并且通过一个不同的“端口”,即右侧路径,进入装置。如果光子在水平方向被极化,它将先采用右侧路径然后是左侧路径。

  不过,量子力学允许光子同时以两种方式被极化,从而使其出现对角极化。当被对角极化的光子进入上述装置时,描述它的量子波分裂成垂直极化和水平极化的两部分。而光子同时采用两个路径,然后量子波在装置出口处再次合并。当光子重复这一“旅程”时,会再次采用两个路径,尽管光子量子波的每个部分每次只走一条路。因此,讲清楚光子以何种顺序通过了路径是不可能的。

  棘手的部分在于证明试验中发生了什么。物理学家不可能插入揭示光子可能位于“迷宫”何处的探测器。由于量子的怪诞性,这种明确的测量会让光子同时采用两个路径的微妙条件“崩塌”并且毁掉试验。相反,物理学家必须寻找一些更加温和的方式,在光子上印一些其通过特定路径的痕迹。

  为此,研究人员利用除极化外每个光脉冲都拥有形状或空间分布的事实,通过把镜头和其他光学元件放置到每个路径上从而“摆弄”通过的光子,而且温和地改变光脉冲的形状。这些变化是试验中发生的真实“事件”,同时取决于物理学家沿着每条路径施加哪些小的系列变化,光子的极化能从一个对角线方向翻转成另一个。在这个过程中,量子波的两部分重新合并。这种微妙的连接是试验的关键。

  在多次试验中,物理学家在两个路径中施加了不同组合的形状改变,就像在一堆设置中选择两个不同的按钮。如果每个光子最先明确选择了其中一条路径,按钮设置之间的关联以及光子最终的极化必须遵循特定限制。不过,如果两者最先采用了两条路径,这种关联将超越此类限制。这正是物理学家在《物理评论快报》一篇文章中观察到的东西。

  按照现在情况,试验者在两条路径上单独选择一些操作。不过,致力于该试验的法国奈尔研究所物理学家Cyril Branciard表示,原则上,试验表明量子力学使两个过程相互触发成为可能。“人们可能遇到这种情形,即事件A引发事件B,同时事件B引发事件A。”

  2015年,奥地利维也纳大学物理学家开展了类似试验。不过,开展了此前试验的该校理论学家Caslav Brukner表示,最新试验首次在试验中克服了技术上的限制,并且可能更容易在实际应用中放大规模。(来源:中国科学报)


作者:编辑:何秋怡