在日常經驗中，事件的出現會按照明確的順序先後發生是一件很自然的事情。例如，清晨的鬧鐘響了，喚醒了在夢鄉中的你，又或者反過來。然而，一項新的實驗表明，當研究的對象是光子（組成光的粒子）時，我們或許就無法分辨出兩個事件的發生順序了。這抹滅了我們關於時間先後的常識性概念，並潛在地混淆了因果關係的概念。作為一種量子開關（Quantum Switch），這一裝置或許能為新興的量子信息技術提供一個有用的新工具。
量子力學已經顛覆了我們認為一個物體在同一時間只能處於一個地方的概念。奇異的量子力學讓像電子這樣的微小粒子可以同時存在於多個地方。對於兩個事件A和B，量子開關可以實現類似的事情：它即可以證明A先於B發生，也可以證明B先於A發生。
○ 雞生蛋，還是蛋生雞？量子力學中，其時間順序或許是不確定的，這個事件是”雞生蛋“和”蛋生雞“這兩個狀態的疊加態。| 圖片來源：KEITHBISHOP/ISTOCKPHOTO
2009年第一次提出這個概念的理論物理學家之一，英國牛津大學的Giulio Chiribella說：“我很高興看到人們通過真實的實驗來實現我們的想法。”
為了驗證這一現象，澳大利亞昆士蘭大學的物理學家Andrew White與同事拍攝了光子通過一個干涉儀的過程，在干涉儀這一裝置中，光子會沿兩條路徑分叉然後重新合併。光子既是粒子，又是可被極化（偏振，polarised）而在水平或垂直方向上蜿蜒前行的電磁波。
研究人員對他們的裝置進行了以下設置：如果光子發生垂直極化，它將首先採用左側的路徑，然後迅速返回，通過一個不同的端口進入裝置，採用右側的路徑。如果光子發生水平極化，它將首先採用右側的路徑，然後採用左側的路徑。
○ 實驗示意圖。通過“極化”（偏振）來控制量子位。光子的偏振分光鏡PBS1將路線分為事件A或B，事件C是最終對光子極化的測量。| 圖片來源：K. Goswami et. al./ 《Physical Review Letters》
但是量子力學允許光子同時在水平和垂直方向上發生極化，使其產生對角極化（diagonally polarised）。當對角極化的光子進入儀器時，它的波函數會分裂為垂直極化和水平極化兩部分，而光子則同時採取兩種路徑，直到在儀器出口處，來自不同路徑的波再次合併。當光子重複這趟行程時，它會再次同時採用兩條路徑，雖然光子的任一部分波函數對於一個路徑僅會採用一次。因此，要說出光子以哪個順序通過了路徑是不可能的。
○ 對角極化的光子（藍）進入干涉儀時，會分裂為垂直極化和水平極化兩部分（紅、綠）。光子同時採取兩種路徑，也就是說，垂直極化的部分會先後通過左、右兩側的路徑，水平極化的部分亦然，但是無法確定它們通過左、右兩側路徑的先後順序。| 圖片來源：Wikipedia
棘手的部分在於證明實驗過程中發生了什麼。物理學家不能只是通過插入探測器來揭示在干涉儀的迷宮中，光子可能在哪裡。能讓光子同時採用兩條路徑的條件是非常微妙且易失去的，而由於量子力學本身的奇異性，這種確定性的測量會使這些條件坍縮，從而破壞整個實驗。相反，物理學家必須找到一種更溫和的方式，給光子印上它穿過某一特定的路徑後的痕跡。
要做到這一點，他們利用了每一束光除了極化之外還有形狀，或者說空間分佈（spatial distribution）這一事實。實驗者可以通過將透鏡和其他光學元件放置於每條光子穿行的路徑上，進而溫和地改變光脈衝的形狀，這些改變是實驗中的實際“事件”。取決於物理學家在每條路徑上做出了哪些變化，當來自兩條路徑的波函數重新合併時，光子的極化可以從一個對角線方向翻轉成另一個。這個微妙的連接是實驗的關鍵。
經過多次嘗試，物理學家在兩條路徑上實施了不同形狀變化的組合，就像是在一堆設置中選擇兩個不同的旋鈕。如果每一個光子一定要先選擇其中的某條路徑，按鈕設置與光子最後的極化間的關聯（correlation）必須遵循一定的限制。然而，如果兩者最先採用了兩種途徑，關聯就會超出這些限制，這正是物理學家在發表於《物理評論快報》中一篇論文中觀察到的。
實驗者獨立地選擇了兩條路徑中的操作。然而，從事這項實驗的物理學家Cyril Branciard說，原則上，實驗表明量子力學允許兩個過程相互觸發的可能性，“事件A可能導致另一個事件B，同時事件B導致事件A。”
2015年，維也納大學的物理學家進行了類似的實驗，曾從事於那次實驗研究的理論物理學家Caslav Brukner說，新的實驗克服了第一次實驗中的技術限制，並且可能更容易擴展到實際應用中。
量子開關可以應用於許多萌芽技術，例如，操縱和傳輸編碼於單個光子中的量子態和其他量子粒子中的信息。這類裝置必須通過量子信道 （例如光纖）來傳遞粒子，而這些量子信道總是受到噪聲的干擾。
但是Moreno表示，即便兩個這樣的量子信道中的噪聲干擾太嚴重，以致於無法傳遞量子信息，理論上它們仍可以被製作成量子開關，使得信息能夠流動。“你引入的是不可區分的順序，然後突然間就可以溝通了，這真的是非常酷！”
原文鏈接：
http://www.sciencemag.org/news/2018/08/quantum-chicken-or-egg-experiment-blurs-distinction-between-and-after
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