网站上的动效是用ae做的,高校网站建设规范,丰镇市网站丰镇高铁在哪个位置建设,新乡哪里有做网站的导语2022年诺贝尔物理学奖授予“用纠缠光子实验验证量子力学违反贝尔不等式”#xff0c;确认了被称为“鬼魅般的超距作用”的量子纠缠现象。量子的世界常常超出人类的直觉#xff0c;当我们将因果关系从经典世界外推到量子世界#xff0c;会发生什么#xff1f;研究发现确认了被称为“鬼魅般的超距作用”的量子纠缠现象。量子的世界常常超出人类的直觉当我们将因果关系从经典世界外推到量子世界会发生什么研究发现与经典世界里事件A与B之间有明确的因果关系不同量子世界存在不确定因果关系A→B和B→A两个因果序列可以同时存在。因果关系量子纠缠量子信息来源集智俱乐部作者董唯元 编辑邓一雪 1. 量子世界的因果关系2022年的诺奖让“量子纠缠”成了大众话题然而在量子的世界中还有许许多多更加玄妙的事实。今天我们就来聊一聊神奇的不确定因果Indefinite causality。所谓不确定因果并不是似有似无看不清楚的因果关系而是事件A与B之间非常清晰明确的因果连接。神奇的地方在于A→B和B→A两个因果序列同时存在所以二者之中究竟哪个为因哪个为果就成了一件说不清楚的事情。在经典的时空观念里这种关系显然不可能存在。因为每个事件在时空中有唯一确定的位置事件B要么在A的过去光锥要么在A的未来光锥要么与A类空间隔。绝无可能B既在A的过去光锥中又在A的未来光锥中。可是量子效应却能够突破这种限制的约束在A与B之间建立起不确定因果关系。在量子信息领域这种关系甚至被用来实现一种独特的逻辑处理单元——Quantum Switch。图输入量子态在输出端得到相应量子态A和B是对量子态进行的操作。上图就是一个最简单的Quantum Switch示意图。我们在输入端输入一个量子态就会在输出端得到一个相应的量子态。中间经过的A和B是两个对量子态进行的操作既可以是幺正变换操作也可以是非幺正的测量操作。另外还有一个控制量子位|C〉没有在图中画出。如果|C〉|0〉输入的量子态就经过橙色过程到达输出如果|C〉|1〉就走蓝色过程。而当|C〉(|0〉|1〉)时输出结果中就包含了A与B的不确定因果序列。对第一次接触Quantum Switch概念的人来说这番设计简直就是薛定谔之猫的再版。通过一个微观的叠加态我们竟然可以使两个宏观的因果链路也叠加在一起实在有些令人难以接受。再仔细端详还会发现Quantum Switch其实比薛定谔的猫还要更神奇。毕竟猫是被封闭在箱子里我们无法直接观察。而Quantum Switch中A和B两处都是可以查看现象的操作整个Quantum Switch并不是黑箱。与那只小猫永远不可见的半死半活叠加态相比Quantum Switch向我们展示的是明晃晃可观测现象层面的不确定因果。是不是觉得更加难以接受了呢量子效应挑战的就是我们的直觉。自2013年QuantumSwitch在理论上被提出之后已经有两个实验团队分别在2015年和2016年实际验证了不确定因果序列的存在。现在我们可以非常笃定的相信这种颇为玄幻的因果链路叠加现象的确是物理事实。2013年提出Quantum Switch的论文论文题目Quantum computations without definite causal structure论文链接https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.88.0223182016年实验验证的论文2017年正式发表论文题目Experimental verification of an indefinite causal order论文链接https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.16025892.实验验证不确定因果序列2016年的那次实验设计中研究者还为判定不确定因果的存在提供了非常有价值的通用方法。依靠这种方法我们不仅能够定性的判断不确定因果是否存在甚至还可以定量计算QuantumSwitch的输出结果中因果关系的不确定程度。研究者的方法借鉴了量子系统中纠缠度的判定方法。我们知道对量子系统ρ存在纠缠判定entanglement witness算符S它可以使所有的纠缠态都满足而所有的分离态都满足类似的研究者也构建出了一个针对Quantum Switch的因果判定causal witness算符S使得所有包含不确定因果的过程都满足而所有不包含不确定因果的过程则满足对比两者的数学形式就能看出其中的数学技巧几乎一模一样只是判定算符所作用的对象其物理意义完全不同。前者中的ρ是刻画量子态的密度矩阵而后者中的W则是描述Quantum Switch中各操作承启结构的过程矩阵。如果过程矩阵中A→B和B→A两种因果序列出现的概率非此即彼又互无交叠我们就定义其为因果可分离。而那些无法拆解成这种形式的过程矩阵Wn-sep就必然包含有不确定因果序列。在这种定义之下不确定因果其实就是过程矩阵的因果不可分离性causal nonseparability通过定义CNS:-Tr(SW)就可以直接量化的度量因果的不确定程度。2016年的那次实验正是在一个由两台马赫-曾德尔干涉仪构成的Quantum Switch中实际测得了CNS0.202±0.029从而明确无疑地证实了不确定因果的存在。关于具体的数学构建及实验细节感兴趣的读者可以查阅相关论文[1]此处就不展开了。此刻需要回头补充说明一下为什么在讨论量子效应相关的因果结构时因果箭头所连接的对象不能是量子态本身。简单粗暴的一句话解释就是为了保留因果的定域性只能放弃量子态的实在性因此也就只能将量子态本身排除在因果链条之外。3. 抛弃实在性保留定域性我们的直觉比较适应图中左侧所体现的因果逻辑但在涉及量子态的因果讨论中必须时刻警惕避免只能采用右侧这种思考模式。否则不仅会把自己绕晕而且还很可能得出各种自相矛盾的结论。其实随着违背贝尔不等式的量子纠缠关系被确认定域性和实在性就已然成了一对水火不容的冤家对头。在讨论量子效应的时候二者必须舍弃其一。上面图中蓝色框中都是满足实在性的对象可以放心的加入因果链条之中。而橙色框中的量子态被排除在外就是因为定域性与实在性之间的互斥关系。当然就目前的理论进展来说判定量子态的非实在性暂时还是一个主观选择不能算是完全确凿的客观定论。但是如果我们希望在不充分了解全宇宙过去和未来所有细节的前提下仍能够在小小的地球上的某个四处漏风的实验室里鼓捣出一些可信赖的因果关系的话那么保留定域性而放弃实在性应该是一个比较明智的选择。尽管“测量操作导致量子态塌缩”这种说法随处可见但我们不应该把这句话理解成测量操作与量子态之间的因果联系除非我们想把“因果”这个概念扩大到整个宇宙的不同状态之间的联系。相信在绝大多数情况下这并不是我们使用“因果”这个词时所指的含义。估计有很多读者此刻会憋着一肚子不服气。任何操作和可观测现象的前提就是得先有一个量子态存在如果禁止向这个量子态回溯因果联系那我们的因果链条岂不是根本无法拥有一个起点物理学家解决这个问题的方法颇为机智我们可以用“量子态的制备”这个操作作为因果链条的起点。这个操作本身具有实在性且伴随着可观察现象与其他后续操作或现象之间可以建立因果联系。最后需要说明的一点是即使我们抛弃量子态的实在性保留了定域性也无法保证事情都会回到经典图像的定域因果框架下。本文中介绍的Quantum Switch中的不确定因果关系就是在放弃量子态实在性之后仍然超出经典图像的例子。总之所有来自经典图像的研究结论在外推到量子世界时都必须谨慎小心仔细审查。参考资料[1] Rubino et al., Sci. Adv. 2017;3:e1602589“Experimental verification of an indefinite causal order”. DOI: 10.1126/sciadv.1602589未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市大脑研究计划构建互联网城市大脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。每日推荐范围未来科技发展趋势的学习型文章。目前线上平台已收藏上千篇精华前沿科技文章和报告。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
