量子恶作剧重写原因和效果

爱丽丝和鲍勃，如此多的思想实验的星星，在发生时期的烹饪晚餐。爱丽丝意外地掉了一盘;声音爆炸鲍勃，他在炉子上烧毁自己并哭泣。在另一个版本的事件中，鲍勃燃烧自己并哭泣，导致爱丽丝掉了一盘。

在过去十年中，量子物理学家一直在探索奇怪的实现的影响：原则上，这两个版本的故事都可以立即发生。也就是说，事件可以以无限的因果顺序发生，其中“原因B”和“B同时是真实的。

“这听起来很令人发指，”维也纳大学的物理学家ČaslavBrukner录取。

从称为叠加的量子现象遵循的可能性，其中颗粒同时保持所有可能的现实直到它们测量的那一刻。在奥地利，中国，澳大利亚和其他地方的实验室中，物理学家通过将光的粒子（称为光子）置于两种状态的叠加来观察无限的因果秩序。然后，它们对叠加的一个分支进行处理，以处理后跟过程B，并将另一个分支对象进行，然后将另一个分支对象随后是A.在此过程中，称为量子开关，A的结果影响B中发生的事情，反之亦然;光子同时经历两个因果订单。

在过去的五年中，越来越多的量子物理学家界已经在桌面实验中实施了量子开关，并探索了无限的因果秩序提供了量子计算和通信的优势。这是“在日常生活中可能有用的东西，”布里斯托大学的研究员Giulia Rubino表示，在2017年推出了Quantum Switch的第一个实验演示。

物理学家长期以来，作为一系列原因和效果的事件展开的通常情况不会捕捉到事物的基本性质。他们说这种因果角度可能必须去，如果我们弄清楚的量子的重力，空间和时间。但直到最近，关于后果物理学可能工作的原因都没有许多想法。 “许多人认为因果的理解是如此基础，如果我们削弱了这一概念，我们将无法做出连贯，有意义的理论，”布鲁克纳说，谁是导致无限因果关系研究的领导者之一。

这种经物理学家思考新的量子开关实验，以及相关思想实验，其中Alice和Bob面对重力的量子性质产生的因果无限性。对这些方案进行会计迫使研究人员开发新的数学形式和思维方式。 Brukner说，随着新兴框架，“我们可以在没有明确的因果关系的情况下进行预测。”

最近进展已经增长了，但许多从业者追溯了这一攻击线上的攻击的起源，这是在加拿大海底理论物理学的英国加拿大理论物理学院的英国加拿大理论物理学院的卢西恩哈迪工作。 “在我的情况下，”布鲁克纳说，“一切都始于Lucien Hardy的论文。”

哈迪在采取由Albert Einstein着名并将其应用于量子力学的概念方法时，哈迪是最着名的。

爱因斯坦彻底改变了物理，而不是通过思考世界存在的东西，而是考虑个人可以衡量的是什么。特别是，他想象着移动火车的人用统治者和时钟进行测量。通过使用这种“操作”方法，他能够得出结论，空间和时间必须是相对的。

2001年，Hardy应用了与量子力学的相同方法。他从五个操作公理开始重建所有量子理论。

然后他开始将其应用于一个更大的问题：如何协调量子力学和一般相对性的80年历史的问题，爱因斯坦的重力理论。 “我受到这个想法的推动，也许可能对量子理论的思考方式可能适用于量子重力，”今年冬天，哈迪告诉我缩放。

操作问题是：在量子重力中，原则上，我们可以观察什么？耐寒地思考量子力学和一般相对性各自具有激进特征。量子力学是着名的不确定性;它的叠加允许同时可能性。同时，一般相对性表明空间和时间是可展望的。在爱因斯坦的理论中，像地球这样的巨大物体延伸了时空“公制” - 基本上是统治者哈希标记之间的距离，以及时钟蜱之间的持续时间。例如，您越近的对象，例如，您的时钟刻度越慢。然后，指标确定附近事件的“光锥形” - 事件可能会导致影响的时空区域。

当您结合这两个激进特征时，Hardy表示，两个同时量子可能会以不同的方式延伸度量。事件的光锥变得无限期 - 因此，因果关系本身也是如此。

大多数关于量子重力的工作ELIDES其中一个功能。例如，一些研究人员试图表征“格雷顿”的行为量子的重力。但研究人员让格雷尼相互作用。 “我们已经习惯于考虑世界时代的世界，”哈得谢谢。然而，他的原因是量子重力肯定会继承一般相对性的激进特征，缺乏固定的时间和固定的因果关系。 “所以这个想法真的要谨慎对风，”平静，严肃的物理学家说，“真的拥抱这种野外情况，你没有明确的因果结构。”

通过缩放，哈迪使用了一款特殊的投影机来拍摄白板，在那里他勾勒出各种思想实验，从一个帮助他看看如何完全描述数据而不引用事件的因果秩序。

他想象着一系列探针在太空中漂流。他们正在采取数据 - 录制，说，偏振光从附近的爆炸之星或超新星喷出。每一秒，每个探头都会测量其位置，其偏振器的方向（像偏振太阳镜一样，允许光子通过或根据其极化阻挡它），以及位于偏振器后面的检测器是否检测光子或不检测光子。探测器将此数据传输到房间中的一个人，他们在卡上打印。一段时间后，实验跑步结束;房间里的男人从所有探针中洗牌并形成堆叠。

然后探头旋转它们的偏振器并制作一系列新的测量，产生一系列新的卡片，并重复该过程，使房间里的人最终有许多随机堆叠的无序堆栈。 “他的工作是尝试发表一些牌，”哈迪说。该男子希望设计一个理论，该理论描述了数据中的所有统计相关性（以这种方式描述了超新星），没有任何关于数据的因果关系或时间顺序的信息，因为这些可能不是现实的基本方面。

这个男人怎么样？他可以首先通过位置安排卡片，处理每个堆栈的卡片，以便在某个空间区域中与航天器有关的那些。在为每个堆栈执行此操作时，他可以开始注意桩之间的相关性。他可以注意到，每当在一个区域中检测到光子时，在另一个区域中存在高的检测概率，只要偏振器在两个地方同样地成角度即可。 （这种相关性意味着通过这些区域的光趋于共享共同的极化。然后他可以将概率与较大的复合区域有关的表达，以这种方式，他可以“建立大量和更大的数学对象较小的地区的地区，“哈迪说。

我们通常认为作为因果关系 - 例如从天空的一个区域到另一个区域行进的光子，在哈迪的形式主义中与第二区域后面的第一区域中的测量相同，与数据压缩一样。描述整个系统所需的信息量减少，因为一组概率决定了另一组。

Hardy称他的新形式主义是“因果莲骨”框架，其中胰岛素是用于计算任何区域中任何测量结果的概率的数学对象。他于2005年介绍了密集的68页纸张中的一般框架，其展示了如何在框架中制定量子理论（基本上通过将其一般概率表达降低到相互作用的特定情况）。

Hardy认为应该有可能在因果关系框架中制定一般相对性，但他无法完全看出如何继续。如果他能够管理，那么，他在另一篇论文中写道，“框架可能用于构建量子重力理论。”

几年后，在意大利Pavia，Quantum Information Theorist Giulio Chiribella和三位同事在不同的问题上仔细考虑：可能是什么类型的计算？他们铭记了理论计算机科学家Alonzo教堂的规范工作。教堂开发了一套正式的建筑功能规则 - 拍摄输入并产生输出的数学机器。教堂规则本的一个醒目特征是函数的输入可以是另一个功能。

这四名意大利物理学家们询问自己：一般来说，可能是哪些功能的功能，超出了目前的计算机？他们提出了一种涉及两个函数A和B的过程，它将组装成一个新功能。这个新功能 - 他们称之为量子开关 - 是两个选项的叠加。在叠加的一个分支中，函数的输入通过A，那么B.在另一个中，它通过B，然后通过B，然后是A.它们希望量子开关“可以是新的计算模型的基础，受到启发一个教堂之一，“奇利贝拉告诉我。

起初，革命溅射。物理学家无法决定量子开关是否深刻或微不足道，或者如果它是可实现的或仅仅假设的。他们的论文花了四年的发布。

到2013年最终出现的时间后，研究人员开始看出它们如何构建量子开关。

例如，它们可能朝向称为分束器的光学装置射击光子。根据量子力学，光子有50-50机会被传递或反射，因此它确实如此。

光子的发送版本朝向光学装置朝向光学装置以一些明确的方式旋转光的偏振方向。 Photon接下来遇到类似的设备，它旋转不同的方式。让我们分别调用这些设备A和B。

同时，光子的反射版本首先遇到B，然后是A.在这种情况下极化的最终结果是不同的。

我们可以考虑这两种可能性 - B之前的A或B之前的B - 作为无限因果秩序。在第一分支中，在没有发生的意义上，如果没有发生，则B的输入和输出将完全不同。同样地，在第二分支中，B因果地影响了后一种过程否则就不能发生。

在发生这些替代因果事件之后，另一个分束器重新配置了光子的两个版本。测量其极化（以及许多其他光子）产生结果的统计传播。

Brukner和两位合作者设计了定量测试这些光子是否真正遇到无限因果秩序的方法。 2012年，研究人员在统计学相关的情况下计算了一个天花板，如果旋转以固定的因果顺序发生，则偏振结果可以具有在A和B处执行的旋转。如果该值超过这种“因果不平等”，那么因果影响必须朝两个方向进入;因果命令必须是无限期的。

“因果不平等的想法非常酷，很多人决定跳到该领域，”鲁尼诺在2015年跳起来。她和她的同事在2017年制作了一项Quantum Switch的地标示范，工作了大致就像上面的那个。使用Brukner and Company设计的更简单的测试，他们证实了因果秩序是无限期的。

注意力转向无限期可以做的事情。 Chiriibella和共同作者认为，当以无限顺序发送通道时，可以在嘈杂的频道上传输更多信息。昆士兰大学和其他地方的实验主义者已经表现出这种通信优势。

根据“最美丽的实验”到目前为止，根据鲁诺，在中国的科技大学的Jian-Wei Pan介绍，在Hefei在2019年展示，两方面可以在传输两者中的比较时更有效地比较长度的位数曾经的方向而不是固定的因果秩序 - 2016年Brukner和共同作者提出的优势。合肥在1月份的不同群体报告，而发动机通常需要一个炎热的水库工作，用量子开关可以从平等的水库中提取热量 - 牛津理论家一年前建议的令人惊讶的使用。

它没有立即清楚地延长这种实验工作来研究量子重力。关于量子开关点头的所有论文在量子重力和无限因果关系之间的链路下。但是，巨大的物体叠加 - 这在次要多种方面延伸了时空度量 - 这么快地崩溃，没有人想到如何检测因果关系的产生模糊性。因此，研究人员转向思想的实验。

你会记得爱丽丝和鲍勃。想象一下，他们驻扎在地球附近的独立实验室宇宙飞船。奇异（但不是不可能的），地球是两个不同地方的量子叠加。您不需要整个星球在叠加重力以创造因果关系：即使是单个原子，当它在两个地方的叠加时，同时定义了两种方式的度量。但是当你在谈论原则上是什么可衡量的时候，你也可能很大。

在叠加的一个分支中，地球更靠近爱丽丝的实验室，所以她的时钟刻度慢得多。在另一个分支中，地球越来越靠近鲍勃，所以他的时钟刻度慢。当Alice和Bob沟通时，因果秩序得到所有切换。

在2019年的一个关键论文中，Magdalena Zych，Brukner和合作者证明，这种情况允许爱丽丝和鲍勃实现无限的因果秩序。