近日，北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授团队在集成光量子芯片上实现并验证了广义的多维、多方、多序不定因果序，实现了对量子因果结构的可控操纵与严格验证。这一成果为将“因果性”作为一种新型量子资源应用于更广泛的量子信息处理领域迈出了关键一步。2025年10月15日，相关研究成果以“集成量子开关中的广义不定因果序”(Generalized indefinite causal orders in an integrated quantum switch)为题，在线发表于《物理评论快报》 (Physical Review Letters)。

在经典物理中，事件的发生具有固定的先后顺序—先有因、后有果。然而，量子力学允许一种奇特的可能性：事件发生前后因果关系可以以多种时间顺序的叠加态发生，这一现象被称为不定因果序（Indefinite Causal Order, ICO）。作为量子理论的一种独特特征，ICO不仅在量子引力等基础物理研究中引起关注，也被认为可能在量子计算、量子通信和量子精密测量等领域带来性能提升。近年来，理论与实验的研究都在不断探索如何将这种“因果叠加”作为一种新的量子资源加以利用。

尽管已有一些实验验证了基础情形下的不定因果序，但要在更复杂的多方、多维等结构中实现并严格验证ICO仍面临挑战。目前的实验多局限于双方、两维系统，缺乏可推广的实验实现方法和基于“因果见证（causal witness）”的验证方法。因此，实现可控的多维、多方因果结构，并建立可靠的验证手段，对推动ICO成为真正实用的量子资源具有重要意义。

本研究在集成光量子芯片上实现并验证了广义多维、多方和多序的不定因果序。研究团队利用集成光量子芯片技术实现了可编程重构的广义量子开关结构，并通过量子测量显著违反确定因果序界限的因果见证，实验上验证了这些广义ICO过程的存在。此外，研究还初步探索了因果不可分性的资源理论，并在实验中演示了单份态的提纯操作。

本研究基于可编程光子量子芯片构建并验证了一个广义的量子开关，用于实现多维、多方及多序的不定因果序过程（图1a）。研究团队从理论上将传统的双方因果叠加（图1b）推广至具有更多事件（图1c）、更高维度及更多因果序（图1d）的广义结构，使得局域操作能够以多种时间顺序的量子叠加形式作用于目标系统。实验平台为一个单片集成了纠缠光源、可编程线性光学矩阵、量子擦除器及高维投影测量模块的光量子芯片（图2），实现了对多维量子过程的精确控制与测量。当控制光子处于叠加态时，目标光子便经历了一种量子因果序的“重叠”，从而在片上产生并操纵不定因果序过程。

图1(a) 广义不定因果序推广示意图；

图1(b) 标准双方不定因果序；

图1(c) 多方不定因果序；

图1(d) 多序不定因果序。

图2. 基于集成光量子芯片的广义量子开关示意图

图3. 噪声环境下的因果见证期望值

研究团队进一步测量了因果见证随噪声强度的变化。通过向控制态引入不同程度的白噪声，实验观测到因果见证期望值随噪声强度线性上升，反映出因果不可分性因噪声逐步减弱的过程。值得注意的是，即使在存在一定噪声的情况下，测得的因果见证期望值仍保持在确定因果序界限之内，表明系统依然维持在不定因果序区域。这一结果清晰地揭示了因果不可分性的退相干行为，验证了广义不定因果序在噪声环境下的稳健性。

本项目工作在集成光学平台上，成功演示了量子因果结构的可编程实现与严格认证，为将量子因果结构作为一种新型量子资源投入更广泛的应用迈出了重要一步。

北京大学物理学院2021级博士研究生邓曜昊为第一作者，王剑威教授为通讯作者。合作者还包括北京大学龚旗煌教授、何琼毅教授，物理学院博士研究生陈晓炯、傅兆瑢，物理学院博士后刘殊恒、郑赟、包觉明。上述研究工作得到了国家自然科学基金、科技部2030科技创新项目、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金会，以及北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室、北京量子信息科学研究院、纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、合肥量子国家实验室等大力支持。

论文原文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/39vh-84n1