量子化學實驗挑戰了我們所熟知的因果邏輯，甚至會動搖“時間”的概念。
愛因斯坦在遛彎的時侯，要穿過兩扇門。他先穿過一道綠門，之后穿過一道紅門；或則他也可以先穿過紅門，再穿過綠門。兩種選擇，非此即彼。根據通常的思維，他通過這兩扇門時一定有先后順序，對吧？
但若果是在維也納學院的實驗室里，假若愛因斯坦才能乘著光子飛行的話，恐怕情況就沒這么簡單了。的研究組讓光子在實驗室外高速飛行，在此過程中未能判定它們是以哪些樣的順序通過兩道門的。這并非由于她們遺失或破壞了順序信息，而是由于這個信息根本就不存在！在的實驗中，我們難以明晰定義風波的先后次序。
2015年的這一發覺，讓科學家意識到，量子化學要比她們此前的理解愈發匪夷所思。的實驗向“一件事造成了另一件事”的因果邏輯發起了挑戰，似乎是化學學家擊潰了時間這個概念本身，讓時間向兩個方向流逝。
假如用日常的思維來理解，那這簡直就是胡說。但在量子理論的物理體系中，因果關系上的模糊性是完全符合邏輯且自洽的。研究人員還覺得，利用人為制造的因果關系模糊的化學系統，我們便可以探求愈發寬廣的化學領域。有人提出，非因果系統可以用于促進富有潛力的量子估算的發展。臺灣學院的量子理論學家說：“如果量子計算機才能不受因果規律的限制，這么它就有可能在解決個別問題時比精典計算機速率更快。”
更重要的是，理解量子熱學的“因果結構”，明晰風波之間是否存在先后次序，其實有助于我們接受量子理論、形成量子直覺。目前，我們在理解量子化學的時侯，總是把光子描述成一種既是波又是粒子的物質，總是覺得風波被不確定性映照著，但這樣的語言還是非常生硬。
據悉，因為因果律是關于物體之間怎樣通過時空形成互相作用的規律，這些新的視角似乎就能幫助我們走向量子力學與廣義相對論的統一理論。量子熱學與廣義相對論是現代數學學的兩大基石，而三者之間互不相容，這也構成現今數學學最大的挑戰之一。的合作者、維也納的量子光學與量子信息研究所的理論化學學家?aslav說：“因果關系正好處于量子熱學與廣義相對論的交界處，因而有可能成為我們探求統一理論的切入點。”
混亂的時間
20世紀30年代，尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡將隨機性引入量子理論，而愛因斯坦多次對此提出指責。從此，因果性就是始終量子熱學中的一個關鍵問題。玻爾與海森堡建立的量子熱學赫爾辛基演繹堅持覺得，量子檢測，比如檢測一個線偏振光光子的偏振光方向，其結果是隨機的，而且只在測量的頓時才被決定出來，我們也完全未能解釋為什么出現這個檢測結果。1935年，愛因斯坦和他的助手鮑里斯·波多爾斯基、內森·羅森（依照其姓氏首字母，稱作EPR）提出了一個知名的思想實驗。她們借助玻爾對量子熱學的解釋，推導入了一個似乎不可能的推論。
EPR的思想實驗中，A、B兩個粒子處于互相影響的狀態，也就是“糾纏態”。這兒我們用載流子來舉一個糾纏態的反例。載流子是粒子的一種量子特點，你可以把它想像成一個小吸鐵石，吸鐵石的N極就是載流子所指的方向。對于A、B兩個粒子，假如A的載流子朝上，則B的載流子一定朝下，反過來假如A的載流子朝下，則B的載流子一定朝上。
在這樣的糾纏態中，我們只有進行檢測，才才能確定兩個粒子到底處于哪些樣的載流子狀態。按照奧斯陸演繹，檢測不僅僅讓我們得知粒子的狀態，就會促使粒子“固定”在我們所測得的狀態。而對于糾纏態的粒子，不論它們相距多遠，對A的檢測在固定了A的狀態的同時，也固定了B的狀態，如同在檢測的頓時，A與B之間形成了某種互相作用。愛因斯坦不能接受這些跨越遙遠距離而頓時發生的互相作用（即“超距作用”），由于這意味著互相作用的傳遞速率超過光速，違反了狹義相對論。愛因斯坦深信，這一悖論緣于赫爾辛基解釋不夠完備。在檢測之前，A、B粒子必將早已有了明晰的狀態。
但是，隨著實驗手段的進步，科學家對糾纏態粒子進行實際檢測后發覺，粒子之間的關聯性難以用“粒子的狀態在檢測前就早已確定”來解釋，但同時這些關聯性又不違反狹義相對論，由于它并不能傳遞信息，不會造成信息超光速。那這些關聯是如何形成的呢？這確實很難用符合我們直覺的因果關系來解釋。
乍看起來，奧斯陸演繹起碼還保留有正常的時序邏輯：一次檢測并不會影響到檢測之前所發生的風波。假如風波A要對風波B形成影響的話，這么A一定要先于B而發生。但是，近來六年間，這個最基本的時序邏輯也開始動搖。研究人員早已設想出了特定的量子情景，以至于我們難以判斷關聯風波中到底是何者發生在前。
在精典化學中不可能有這樣的情景。即使我們不曉得甲乙誰先發生，它們也必將有一個先發生，一個后發生。而在量子化學中，不確定性不是因為我們沒有獲取足夠的信息；這是一種根本上的不確定性，在檢測之前根本就不存在所謂的“實際狀態”。
模棱兩可的因果關系
許多化學學家早已開始初步嘗試探求量子熱學中模棱兩可的因果關系，包括的研究團隊、的研究團隊等。她們悉心設計了實驗，其中包含互相關聯的風波A與風波B，而我們難以判定到底是A先發生，造成了B（亦稱A是B的“原因”），還是B先發生，造成了A。實驗中，A與B共同包含一定的信息，而信息的這些存在方式，與A、B之間明晰的因果關系是互斥的。也就是說，正是因為A、B之間沒有確定的因果次序，研究人員才才能藥量子系統做一些超出常規的事。
為了實現這一點，研究人員須要制備某種特殊的量子疊加態。一個粒子可以處于“自旋向下”與“自旋向上”的疊加態，我們剛才介紹的EPR實驗中的兩種載流子就是處于疊加態，但是那種事例中涉及到的是兩個粒子。我們經常將疊加態的物體描述為同時處于兩種不同的狀態，但更確切地講，雖然是我們不能預先判定檢測以后到底會得到那個狀態。這兩個相互疊加的可觀測狀態可以拿來做二補碼的數位，構成一個量子比特（qubit）。量子比特便是構成量子計算機的基本單元。
研究者將通常的疊加態概念進一步拓展，制造出了因果關系的疊加態。這時，疊加在一起的兩種狀態代表的是風波的兩種時序：一個是粒子先經過A門，再經過B門，于是A門輸出的粒子狀態便會影響B門的輸入狀態；另一種則是先經過B，再經過A。
2009年，與合作者提出了一個設計這些實驗的理論設想，用一個量子比特（控制比特）做開關，控制一個粒子（相當于另外一個量子比特）所經歷的風波之間的因果次序。當控制比特處于0狀態時，粒子就先經過A門再經過B門。當控制比特處于1狀態時，粒子就順次經過B門和A門。這時，假若我們將控制比特制備到0和1的疊加態，則另一個量子比特將會處于兩種順序的疊加態，因此構成了因果關系的疊加。
五年以后，提出了實現這一看法的具體方案，、和朋友則在實驗室少將這一看法付諸實踐。實驗中用到一系列波片（可以改變光的偏振光方向的晶體）和半反射鏡（可以反射一部份光、通過一部份光），這種裝置構成了可以操控光子偏振光方向的邏輯門A和B。控制比特可以決定光子經過的順序是AB還是BA，或則是AB與BA的疊加。其實，對于處于因果疊加態的光子，一旦我們檢測它先經過了那個門，這些疊加態也就被破壞了。
在成功地演示了因果不確定性以后，維也納學院的這個研究團隊還想更進一步。她們已然成功的制備出了因果關系的量子疊加態，難以判定到底是A造成B，還是B造成A。但我們是否有可能在光子游走邏輯門的過程中對光子進行觀察，而又不破壞因果疊加性呢？
直覺上，這或許與“測量破壞量子疊加態”相悖。但研究者如今早已意識到，量子熱學中，觀察者的行為并不是最關鍵的——最關鍵乃是觀察者得知的信息。
2016年，團隊設計了一種實驗方式，可以在光子經過兩個邏輯門的過程中對其進行檢測，而又不會立刻改變觀察者已知的信息。具體做法，是讓光子自身攜帶這個檢測結果量子物理的應用，而不立刻提取。光子在經過整個光路后就會被偵測器接收到，觀察者直至此時就能得知光子攜帶的檢測結果，因而未能利用光子攜帶的信息來推測光子經過邏輯門的次序。這就好比他人在旅行途中記錄自己的體會，等到旅行歸來再與你分享那些記錄，你是沒辦法按照這種信息來推斷他具體是在何時何地記錄下這種文字的。
最終，團隊否認，只要觀察者不曉得具體的檢測結果，這么檢測就不會破壞因果疊加態。說：“我們等到整個實驗過程進行完畢，才提取了途中檢測的結果。光子飛行途中，檢測結果以及檢測發生的時間都是未知的，但依然對最終的結果形成了影響。”
還有一些研究組也在用量子光學的方式在實驗中研究因果關系的不確定性。在美國，滑鐵盧學院和圓周理論化學研究所的研究團隊制造了一個可以操控光子狀態的量子線路，借此獲得了另一種因果混和狀態。實驗中，光子先后通過A門、B門，但光子的狀態取決于兩種不同的因果邏輯的混和：要么是A門的作用決定了B門的作用，要么是A、B兩門的作用共同由其他風波決定——這就好比，低溫天氣會降低凍傷病例，也會降低冰淇淋的銷量，但燙傷與冰淇淋之間并沒有直接的因果關系。滑鐵盧學院的實驗推論與維也納學院的實驗推論一致：我們難以依照最終測得的光子狀態判定原本風波之間的因果關系。
基于這種挑戰因果直覺的實驗，我們也許還能開發出新的通訊方法。光子作為一個訊號，其經過兩個邏輯門的次序是疊加態，這可以視為二者同時向對方發送信息。說：“簡單地講，這就是一種事半功倍的通訊方法。”也許，這當中還暗含著信息處理的捷徑。
人類已經了解到，量子疊加態和糾纏態可以拿來對個別特定的估算做指數級別的加速，但這兒涉及的都是精典的因果結構。借助量子因果疊加態天然具備的單向同步通訊潛力，我們似乎可以進一步提高量子信息處理的速率。在人們提出因果關系疊加態設想之初，圓周理論化學研究所的理論量子化學學家Hardy與的研究團隊就早已各自獨立提出量子物理的應用，量子計算機若能甩掉精典的確定性因果關系的限制，其功能似乎會更強化大。
2016年，的研究團隊展示了一項研究成果，她們借助因果疊加態的捷徑，致使包含有多個邏輯門的信息處理合同的效率有了指數級別的增強。說：“我們還遠未用盡量子化學之能，還有更多的加速方式須要研究。”
雖然，搭建必要的量子線路也不是非常復雜，只要有類似于實驗中所用的量子開關就可以了。“或許我們離實際應用已然不遠了。”說道。
統一的宇宙
研究因果論，更重要的意義在于理論本身。量子因果性似乎就能成為探究化學學中最深奧問題的切入點，例如：量子熱學到底從何而至？
量子理論看上去仿佛是人類為了解釋化學現象而悉心雕鑿下來的理論。薛定諤多項式對于好多量子實驗的結果都能給出特別確切的預言，但對于這個等式的數學意義，化學學家依然莫衷一是。過去20年間，包括Hardy和在內的一些化學學家和物理家企圖通過“量子重塑”來找到理解量子化學的關鍵線索：從一些簡單的公理（比如對量子態所含信息，什么操作是容許的，又有什么是不行的）出發，推導入量子熱學系統的個別特點，如疊加、糾纏等。
“因果模型的框架提供了看待那些問題的新視角。”KatjaRied說。他是德國因斯布魯克學院的化學學家，以前與滑鐵盧學院的研究組合作，開發了一套才能制備因果不確定狀態的實驗系統。“如果量子理論是一個關于大自然怎樣處理、分配信息的理論，這么推想不同風波之間的互相影響，其實可以闡明信息處理過程所遵守的規律。”
在找尋量子理論與廣義相對論的統一理論時，量子因果性似乎還能發揮更大的作用。“在廣義相對論中，因果結構起到了十分關鍵的作用。這啟發我們思索，這些因果性怎樣才能表現出其量子的一面呢？”Ried說。
說：“我們在企圖理解量子熱學的時侯，常常會保留部份精典數學的思維，例如‘粒子軌道’就是一個精典概念。”然而回顧量子化學的發展史，雖然常常須要提出趕超舊思維的全新觀念，例如，用全新的方法來理解因果律。“當你有了一個顛覆性的理論時，就必需要有愈發顛覆性的思維才才能理解它。”
撰文Ball
翻譯趙昌昊
審校韓晶晶
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