量子化学实验挑战了我们所熟知的因果逻辑，甚至会动摇“时间”的概念。
爱因斯坦在遛弯的时侯，要穿过两扇门。他先穿过一道绿门，之后穿过一道红门；或则他也可以先穿过红门，再穿过绿门。两种选择，非此即彼。根据通常的思维，他通过这两扇门时一定有先后顺序，对吧？
但若果是在维也纳学院的实验室里，假若爱因斯坦才能乘着光子飞行的话，恐怕情况就没这么简单了。的研究组让光子在实验室外高速飞行，在此过程中未能判定它们是以哪些样的顺序通过两道门的。这并非由于她们遗失或破坏了顺序信息，而是由于这个信息根本就不存在！在的实验中，我们难以明晰定义风波的先后次序。
2015年的这一发觉，让科学家意识到，量子化学要比她们此前的理解愈发匪夷所思。的实验向“一件事造成了另一件事”的因果逻辑发起了挑战，似乎是化学学家击溃了时间这个概念本身，让时间向两个方向流逝。
假如用日常的思维来理解，那这简直就是胡说。但在量子理论的物理体系中，因果关系上的模糊性是完全符合逻辑且自洽的。研究人员还觉得，利用人为制造的因果关系模糊的化学系统，我们便可以探求愈发宽广的化学领域。有人提出，非因果系统可以用于促进富有潜力的量子估算的发展。台湾学院的量子理论学家说：“如果量子计算机才能不受因果规律的限制，这么它就有可能在解决个别问题时比精典计算机速率更快。”
更重要的是，理解量子热学的“因果结构”，明晰风波之间是否存在先后次序，其实有助于我们接受量子理论、形成量子直觉。目前，我们在理解量子化学的时侯，总是把光子描述成一种既是波又是粒子的物质，总是觉得风波被不确定性映照着，但这样的语言还是非常生硬。
据悉，因为因果律是关于物体之间怎样通过时空形成互相作用的规律，这些新的视角似乎就能帮助我们走向量子力学与广义相对论的统一理论。量子热学与广义相对论是现代数学学的两大基石，而三者之间互不相容，这也构成现今数学学最大的挑战之一。的合作者、维也纳的量子光学与量子信息研究所的理论化学学家Časlav说：“因果关系正好处于量子热学与广义相对论的交界处，因而有可能成为我们探求统一理论的切入点。”
混乱的时间
20世纪30年代，尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡将随机性引入量子理论，而爱因斯坦多次对此提出指责。从此，因果性就是始终量子热学中的一个关键问题。玻尔与海森堡建立的量子热学赫尔辛基演绎坚持觉得，量子检测，比如检测一个线偏振光光子的偏振光方向，其结果是随机的，而且只在测量的顿时才被决定出来，我们也完全未能解释为什么出现这个检测结果。1935年，爱因斯坦和他的助手鲍里斯·波多尔斯基、内森·罗森（依照其姓氏首字母，称作EPR）提出了一个知名的思想实验。她们借助玻尔对量子热学的解释，推导入了一个似乎不可能的推论。
EPR的思想实验中，A、B两个粒子处于互相影响的状态，也就是“纠缠态”。这儿我们用载流子来举一个纠缠态的反例。载流子是粒子的一种量子特点，你可以把它想像成一个小吸铁石，吸铁石的N极就是载流子所指的方向。对于A、B两个粒子，假如A的载流子朝上，则B的载流子一定朝下，反过来假如A的载流子朝下，则B的载流子一定朝上。
在这样的纠缠态中，我们只有进行检测，才才能确定两个粒子到底处于哪些样的载流子状态。按照奥斯陆演绎，检测不仅仅让我们得知粒子的状态，就会促使粒子“固定”在我们所测得的状态。而对于纠缠态的粒子，不论它们相距多远，对A的检测在固定了A的状态的同时，也固定了B的状态，如同在检测的顿时，A与B之间形成了某种互相作用。爱因斯坦不能接受这些跨越遥远距离而顿时发生的互相作用（即“超距作用”），由于这意味着互相作用的传递速率超过光速，违反了狭义相对论。爱因斯坦深信，这一悖论缘于赫尔辛基解释不够完备。在检测之前，A、B粒子必将早已有了明晰的状态。
但是，随着实验手段的进步，科学家对纠缠态粒子进行实际检测后发觉，粒子之间的关联性难以用“粒子的状态在检测前就早已确定”来解释，但同时这些关联性又不违反狭义相对论，由于它并不能传递信息，不会造成信息超光速。那这些关联是如何形成的呢？这确实很难用符合我们直觉的因果关系来解释。
乍看起来，奥斯陆演绎起码还保留有正常的时序逻辑：一次检测并不会影响到检测之前所发生的风波。假如风波A要对风波B形成影响的话，这么A一定要先于B而发生。但是，近来六年间，这个最基本的时序逻辑也开始动摇。研究人员早已设想出了特定的量子情景，以至于我们难以判断关联风波中到底是何者发生在前。
在精典化学中不可能有这样的情景。即使我们不晓得甲乙谁先发生，它们也必将有一个先发生，一个后发生。而在量子化学中，不确定性不是因为我们没有获取足够的信息；这是一种根本上的不确定性，在检测之前根本就不存在所谓的“实际状态”。
模棱两可的因果关系
许多化学学家早已开始初步尝试探求量子热学中模棱两可的因果关系，包括的研究团队、的研究团队等。她们悉心设计了实验，其中包含互相关联的风波A与风波B，而我们难以判定到底是A先发生，造成了B（亦称A是B的“原因”），还是B先发生，造成了A。实验中，A与B共同包含一定的信息，而信息的这些存在方式，与A、B之间明晰的因果关系是互斥的。也就是说，正是因为A、B之间没有确定的因果次序，研究人员才才能药量子系统做一些超出常规的事。
为了实现这一点，研究人员须要制备某种特殊的量子叠加态。一个粒子可以处于“自旋向下”与“自旋向上”的叠加态，我们刚才介绍的EPR实验中的两种载流子就是处于叠加态，但是那种事例中涉及到的是两个粒子。我们经常将叠加态的物体描述为同时处于两种不同的状态，但更确切地讲，虽然是我们不能预先判定检测以后到底会得到那个状态。这两个相互叠加的可观测状态可以拿来做二补码的数位，构成一个量子比特（qubit）。量子比特便是构成量子计算机的基本单元。
研究者将通常的叠加态概念进一步拓展，制造出了因果关系的叠加态。这时，叠加在一起的两种状态代表的是风波的两种时序：一个是粒子先经过A门，再经过B门，于是A门输出的粒子状态便会影响B门的输入状态；另一种则是先经过B，再经过A。
2009年，与合作者提出了一个设计这些实验的理论设想，用一个量子比特（控制比特）做开关，控制一个粒子（相当于另外一个量子比特）所经历的风波之间的因果次序。当控制比特处于0状态时，粒子就先经过A门再经过B门。当控制比特处于1状态时，粒子就顺次经过B门和A门。这时，假若我们将控制比特制备到0和1的叠加态，则另一个量子比特将会处于两种顺序的叠加态，因此构成了因果关系的叠加。
五年以后，提出了实现这一看法的具体方案，、和朋友则在实验室少将这一看法付诸实践。实验中用到一系列波片（可以改变光的偏振光方向的晶体）和半反射镜（可以反射一部份光、通过一部份光），这种装置构成了可以操控光子偏振光方向的逻辑门A和B。控制比特可以决定光子经过的顺序是AB还是BA，或则是AB与BA的叠加。其实，对于处于因果叠加态的光子，一旦我们检测它先经过了那个门，这些叠加态也就被破坏了。
在成功地演示了因果不确定性以后，维也纳学院的这个研究团队还想更进一步。她们已然成功的制备出了因果关系的量子叠加态，难以判定到底是A造成B，还是B造成A。但我们是否有可能在光子游走逻辑门的过程中对光子进行观察，而又不破坏因果叠加性呢？
直觉上，这或许与“测量破坏量子叠加态”相悖。但研究者如今早已意识到，量子热学中，观察者的行为并不是最关键的——最关键乃是观察者得知的信息。
2016年，团队设计了一种实验方式，可以在光子经过两个逻辑门的过程中对其进行检测，而又不会立刻改变观察者已知的信息。具体做法，是让光子自身携带这个检测结果量子物理的应用，而不立刻提取。光子在经过整个光路后就会被侦测器接收到，观察者直至此时就能得知光子携带的检测结果，因而未能利用光子携带的信息来推测光子经过逻辑门的次序。这就好比他人在旅行途中记录自己的体会，等到旅行归来再与你分享那些记录，你是没办法按照这种信息来推断他具体是在何时何地记录下这种文字的。
最终，团队否认，只要观察者不晓得具体的检测结果，这么检测就不会破坏因果叠加态。说：“我们等到整个实验过程进行完毕，才提取了途中检测的结果。光子飞行途中，检测结果以及检测发生的时间都是未知的，但依然对最终的结果形成了影响。”
还有一些研究组也在用量子光学的方式在实验中研究因果关系的不确定性。在美国，滑铁卢学院和圆周理论化学研究所的研究团队制造了一个可以操控光子状态的量子线路，借此获得了另一种因果混和状态。实验中，光子先后通过A门、B门，但光子的状态取决于两种不同的因果逻辑的混和：要么是A门的作用决定了B门的作用，要么是A、B两门的作用共同由其他风波决定——这就好比，低温天气会降低冻伤病例，也会降低冰淇淋的销量，但烫伤与冰淇淋之间并没有直接的因果关系。滑铁卢学院的实验推论与维也纳学院的实验推论一致：我们难以依照最终测得的光子状态判定原本风波之间的因果关系。
基于这种挑战因果直觉的实验，我们也许还能开发出新的通讯方法。光子作为一个讯号，其经过两个逻辑门的次序是叠加态，这可以视为二者同时向对方发送信息。说：“简单地讲，这就是一种事半功倍的通讯方法。”也许，这当中还暗含着信息处理的捷径。
人类已经了解到，量子叠加态和纠缠态可以拿来对个别特定的估算做指数级别的加速，但这儿涉及的都是精典的因果结构。借助量子因果叠加态天然具备的单向同步通讯潜力，我们似乎可以进一步提高量子信息处理的速率。在人们提出因果关系叠加态设想之初，圆周理论化学研究所的理论量子化学学家Hardy与的研究团队就早已各自独立提出量子物理的应用，量子计算机若能甩掉精典的确定性因果关系的限制，其功能似乎会更强化大。
2016年，的研究团队展示了一项研究成果，她们借助因果叠加态的捷径，致使包含有多个逻辑门的信息处理合同的效率有了指数级别的增强。说：“我们还远未用尽量子化学之能，还有更多的加速方式须要研究。”
虽然，搭建必要的量子线路也不是非常复杂，只要有类似于实验中所用的量子开关就可以了。“或许我们离实际应用已然不远了。”说道。
统一的宇宙
研究因果论，更重要的意义在于理论本身。量子因果性似乎就能成为探究化学学中最深奥问题的切入点，例如：量子热学到底从何而至？
量子理论看上去仿佛是人类为了解释化学现象而悉心雕凿下来的理论。薛定谔多项式对于好多量子实验的结果都能给出特别确切的预言，但对于这个等式的数学意义，化学学家依然莫衷一是。过去20年间，包括Hardy和在内的一些化学学家和物理家企图通过“量子重塑”来找到理解量子化学的关键线索：从一些简单的公理（比如对量子态所含信息，什么操作是容许的，又有什么是不行的）出发，推导入量子热学系统的个别特点，如叠加、纠缠等。
“因果模型的框架提供了看待那些问题的新视角。”KatjaRied说。他是德国因斯布鲁克学院的化学学家，以前与滑铁卢学院的研究组合作，开发了一套才能制备因果不确定状态的实验系统。“如果量子理论是一个关于大自然怎样处理、分配信息的理论，这么推想不同风波之间的互相影响，其实可以阐明信息处理过程所遵守的规律。”
在找寻量子理论与广义相对论的统一理论时，量子因果性似乎还能发挥更大的作用。“在广义相对论中，因果结构起到了十分关键的作用。这启发我们思索，这些因果性怎样才能表现出其量子的一面呢？”Ried说。
说：“我们在企图理解量子热学的时侯，常常会保留部份精典数学的思维，例如‘粒子轨道’就是一个精典概念。”然而回顾量子化学的发展史，虽然常常须要提出赶超旧思维的全新观念，例如，用全新的方法来理解因果律。“当你有了一个颠覆性的理论时，就必需要有愈发颠覆性的思维才才能理解它。”
撰文Ball
翻译赵昌昊
审校韩晶晶
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