来自布鲁塞尔自由大学和法国国家科学研究中心的一组研究人员首次表明，一种违反因果不等式的奇特过程可以用已知的物理学来实现。违反因果不等式证明了在独立于理论的假设下，实验中的某些变量不能被赋予明确的因果顺序。

这种现象在理论上是可能的，但在实践中被广泛认为是不可能的，至少在已知的物理学制度中是这样。这项发表在《自然通讯》上的新研究表明，这些过程实际上可以在标准量子力学中使用随时间离域的变量来实现。这一发现可能对我们理解物理学中的因果关系具有深远的影响。

因果关系的概念对于物理学和我们对整个世界的理解至关重要。通常，我们认为事件是按照明确定义的因果顺序发生的。也就是说，它们是根据某个时间参数排序的，这样过去的事件可以影响未来的事件，反之则不然。例如，日出导致公鸡打鸣，但公鸡乌鸦是否对日出没有任何影响。

近年来，人们对量子理论发挥作用时这种传统的因果关系概念会变成什么样子的问题越来越感兴趣。这个新领域的开创性成果之一是发现了假设过程，这些过程可以产生违反所谓因果不等式的相关性，这意味着实验中特定变量之间缺乏因果顺序，类似于违反贝尔不等式的方式意味着没有局部隐变量模型可以解释观察结果。

但是，尽管贝尔不等式违规排除了对某些相关性的经典因果解释，但在贝尔实验中观察到的变量仍然尊重时空的因果结构，因为它们不允许发出比光更快的信号。另一方面，违反因果不等式意味着某些观察到的变量原则上不能被赋予因果顺序，因为其中一些变量在某种意义上既存在于彼此的因果过去，也存在于彼此的因果未来。

尽管在这一研究领域取得了重大进展，但在已知物理学的制度中，违反因果不等式的过程是否可以实现的问题仍然是一个核心的悬而未决的问题。尽管已知某些因果不定过程通过在叠加态中的量子变量上调节事件时间来允许实验实现，但这些过程不能违反因果不等式，这是一种更强的、独立于理论的因果不定性形式。由于其高度违反直觉的特性，违反因果不等式的过程通常被认为在已知的物理学中是不可能的。

现在，布鲁塞尔自由大学的F.R.S.-FNRS研究人员Julian Wechs和Ognyan Oreshkov以及格勒诺布尔Néel研究所CNRS研究员Cyril Branciard已经证明，某些违反因果不等式的过程实际上可以在标准量子物理学的制度中实现，即所谓的时间离域子系统。

这些是由可观察量定义的物理系统，这些可观察量在不同的时间时刻离域，就像量子信息可以在空间中离域一样，例如在量子纠错码中。引入这个概念是为了检验这样一种说法，即先前因果不定过程的实验实现构成了理论概念的真正实现。

研究人员现在发现了一种将子系统异域化的新方法，该方法可以实现一类意想不到的因果不定过程，其中包括一些违反因果不等式的非常引人注目的例子。他们描述了已知最违反直觉的过程之一的潜在实现 - 所谓的卢加诺过程，由Mateus Araujo，Adrien Feix，Ämin Baumeler和Stefan Wolf发现 - 令人惊讶的是，这是经典和确定性的，描述了三方之间的循环因果依赖关系，类似于闭合时间曲线中的预期。

“这种可能性是通过一种将量子或经典操作离域的新方法实现的。结果看起来好像爱丽丝和鲍勃可以做出选择，影响查理执行一次的特定动作是在过去还是将来发生。这显然违反了因果关系，因为他们不应该能够影响查理过去是否做过某事。这个明显悖论的'解决方案'是，查理的操作既不发生在过去也不在未来发生 - 它在两个可能的时间都以非本地化的方式发生，“该研究的主要作者Julian Wechs解释说。

“令人振奋的是，这种情况在实践中是可能的，即使有时间去域变量。现在我们已经看到了这些变量的样子，回想起来，我们可以定义在不同时间离域的变量，以至于它们不能有效地有条件地定位在其他变量上，这似乎并不奇怪。但是，如果你在三年前问我是否相信违反因果不等式的过程可以通过这些变量来实现，我可能会猜到他们不能，“Cyril Branciard补充道。

“我发现真正令人震惊的是，这种因果不平等违规完全涉及经典变量，”Ognyan Oreshkov说。“我们已经知道了一段时间，至少在理论上，当我们有两个以上的方时，非因果相关性并不是一种纯粹的量子现象。但是，这在实践中可能发生的事实确实迫使我们重新考虑我们对自然界中可能存在哪种因果关系的假设。当图片中允许量子叠加态时，可能性的范围变得更加广泛。

这一结果对我们理解时间的后果仍有待解开。是否有观察者的时间以与此类过程中的循环因果关系相对应的方式流动，这是否可以暗示量子理论和广义相对论都相关的制度中时空的行为?除了对基础物理学的意义之外，研究人员还希望这一结果可以在利用时间离域变量的信息处理中产生新的应用。