這是量子力學的核心問題，沒有人知道答案：疊加中究竟發生了什麼？在這種奇特的境況中，粒子似乎同時處於兩個或多個地點或狀態？2018年，以色列和日本的一個研究團隊提出了一項實驗，該實驗最終可能讓我們對這種令人困惑的現象的本質說些確定的東西。
他們的實驗旨在使科學家能夠偷偷瞥見當一個物體（在本例中是一個稱為光子的光粒子）處於疊加態時，它實際位於何處。研究人員預測，答案將比“同時在兩個地方”更奇怪、更令人震驚。
疊加的經典例子涉及將光子射向屏障中的兩個平行狹縫。量子力學的一個基本方面是，微小粒子可以像波一樣運動，因此透過一個狹縫的粒子會與透過另一個狹縫的粒子“干涉”，它們的波紋相互增強或抵消，從而在探測器螢幕上產生特徵圖案。然而，奇怪的是，即使一次只發射一個粒子，也會發生這種干涉。粒子似乎以某種方式同時透過兩個狹縫，與自身發生干涉。這就是疊加。
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更奇怪的是：測量這樣一個粒子透過哪個狹縫總是會表明它只通過一個狹縫——但隨後波狀干涉（如果你願意，可以稱之為“量子性”）就消失了。測量的行為本身似乎“坍縮”了疊加。“我們知道疊加中發生了一些可疑的事情，”以色列高階研究所的物理學家阿夫沙洛姆·埃利祖爾說。“但你不被允許測量它。這就是量子力學如此棘手的原因。”
幾十年來，研究人員一直停滯在這個明顯的僵局上。他們無法在不觀察疊加的情況下準確地說出疊加是什麼，但如果他們試圖觀察它，它就會消失。以色列物理學家亞基爾·阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov，現就職於查普曼大學）及其合作者——埃利祖爾的前導師——開發了一種潛在的解決方案，提出了一種在測量量子粒子之前推斷出一些關於量子粒子的資訊的方法。阿哈羅諾夫的方法被稱為量子力學的雙態向量形式（TSVF），並假設量子事件在某種意義上不僅由過去的量子態決定，而且也由未來的量子態決定。也就是說，TSVF假設量子力學在時間上向前和向後以相同的方式工作。從這個角度來看，因果關係似乎可以及時倒流，發生在它們的影響之後——這種現象稱為逆因果關係。
但人們不必字面上理解這個奇怪的概念。相反，在TSVF中，人們可以透過選擇結果來獲得關於量子系統中發生的事情的回顧性知識：研究人員不是簡單地測量粒子最終在哪裡結束，而是選擇一個特定的位置來尋找它。這被稱為後選擇，它提供的資訊比任何無條件的窺視結果都要多。這是因為粒子在任何時刻的狀態都是根據其整個歷史（直至包括測量）進行回顧性評估的。奇怪之處在於，看起來好像研究人員——僅僅透過選擇尋找特定的結果——然後導致該結果發生。但這有點像得出這樣的結論：如果你在你最喜歡的節目安排播出時開啟電視，你的行為會導致該節目在那一刻播出。“人們普遍接受TSVF在數學上等同於標準量子力學，”匹茲堡大學的科學哲學家大衛·華萊士說，他專門研究量子力學的解釋。“但它確實導致人們看到一些否則看不到的東西。”
例如，以阿哈羅諾夫及其特拉維夫大學的同事列夫·瓦伊德曼（Lev Vaidman）在2003年設計的一個雙縫實驗版本為例，他們用TSVF對其進行了詮釋。這對搭檔描述（但沒有構建）了一個光學系統，其中單個光子充當“快門”，透過使另一個接近狹縫的“探測”光子反射回來的路徑來關閉狹縫。透過對探測光子的測量應用後選擇，阿哈羅諾夫和瓦伊德曼表明，人們可以辨別出疊加態中的快門光子同時關閉兩個（或實際上任意多個）狹縫。換句話說，這個思想實驗在理論上將允許人們有信心地說，快門光子同時“在這裡”和“那裡”。雖然這種情況從我們的日常經驗來看似乎是悖論，但它是量子粒子所謂的非局域性質的一個經過充分研究的方面，其中空間中明確定義的位置的整個概念都瓦解了。
2016年，京都大學的物理學家岡本亮（Ryo Okamoto）和竹內繁樹（Shigeki Takeuchi）使用一個光攜帶電路進行了實驗驗證，其中快門光子是使用量子路由器建立的，量子路由器是一種讓一個光子控制另一個光子所採取的路徑的裝置。“這是一個開創性的實驗，它允許人們推斷粒子在兩個位置的同時位置，”渥太華大學的埃利祖爾的同事埃利亞胡·科恩（Eliahu Cohen）說。
現在，埃利祖爾和科恩與岡本和竹內合作，設計了一個更令人難以置信的實驗。他們相信，這將使研究人員能夠肯定地說出關於疊加態中粒子在一系列不同時間點的確切位置——在進行任何實際測量之前。
這一次，探測光子的路徑將被部分反射鏡分成三條。沿著這些路徑中的每一條，它都可能與疊加態中的快門光子相互作用。這些相互作用可以被認為發生在標記為A、B和C的盒子內，其中一個盒子位於光子三條可能路徑中的每一條上。透過觀察探測光子的自干涉，人們可以回顧性地確定快門粒子在特定時間位於給定的盒子中。
來源：阿曼達·蒙塔內茲
該實驗的設計使得探測光子只有在與快門光子在特定的地點和時間序列中相互作用時才會顯示干涉：即，如果快門光子在某個時間（t1）同時位於盒子A和C中，然後在稍後的時間（t2）僅位於C中，並在更晚的時間（t3）同時位於盒子B和C中。因此，探測光子中的干涉將是一個明確的跡象，表明快門光子在不同時間在盒子之間進行了這種奇異的、違反邏輯的、脫節的顯現序列——埃利祖爾、科恩和阿哈羅諾夫在2017年提出的一個可能性，即單個粒子分散在三個盒子中。“我喜歡這篇論文在整個歷史而不是瞬時狀態方面提出的關於正在發生的事情的問題的方式，”聖何塞州立大學的物理學家肯·沃頓（Ken Wharton）說，他沒有參與這個新專案。“談論‘狀態’是一種古老的普遍偏見，而完整的歷史通常更加豐富和有趣。”
埃利祖爾及其同事認為，這種豐富性正是TSVF提供的。粒子在一個地方在某個時間消失——以及它們在其他時間和地點重新出現——暗示了量子粒子的非局域存在所涉及的潛在過程的非凡景象。埃利祖爾說，透過TSVF的視角，這種閃爍的、不斷變化的存在可以理解為一系列事件，其中粒子在一個地方的存在被其在同一位置的“反粒子”所“抵消”。他將此與英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）在1920年代提出的想法進行比較，狄拉克認為粒子擁有反粒子，如果將粒子和反粒子放在一起，它們可以相互湮滅。起初，這個概念似乎只是一種說話方式，但很快就導致了反物質的發現。量子粒子的消失並非在這種意義上的“湮滅”，但在某種程度上是類似的：埃利祖爾認為，這些假定的反粒子應該具有負能量和負質量，從而使它們能夠抵消其對應物。
因此，儘管傳統的“同時在兩個地方”的疊加觀點可能已經夠奇怪了，但“疊加可能是一系列更瘋狂的狀態的集合，”埃利祖爾說。“量子力學只是告訴你它們的平均值。”他認為，後選擇然後允許人們以更高的解析度隔離和檢查其中一些狀態。他說，對量子行為的這種解釋將是“革命性的”——因為它將需要一個迄今為止未被猜測的、真實的（但非常奇怪的）狀態集合，這些狀態是反直覺的量子現象的基礎。
岡本及其在京都的同事現在已經使用光子進行了擬議的實驗，但他們仍在分析結果。科恩說，儘管如此，“初步結果與理論非常吻合。”他說，日本研究人員目前正在改進裝置以縮小誤差條。
目前，一些外部觀察家並沒有屏息以待。“實驗肯定會成功，”沃頓說——但他補充說，“它不會讓任何人信服任何事情，因為結果是標準量子力學預測的。”換句話說，沒有令人信服的理由用TSVF而不是研究人員解釋量子行為的許多其他方式之一來解釋結果。
埃利祖爾同意他們的實驗可以使用幾十年前流行的傳統量子力學觀點來構思——但它從未被構思出來。“這難道不是TSVF合理性的一個很好的跡象嗎？”他問道。如果有人認為他們可以使用標準量子力學為這個實驗中的“真正發生的事情”制定不同的圖景，他補充說，“好吧，讓他們去吧！”
他確信這項工作預示著“量子力學內部的一場革命”。他說，現在測量方法已經變得足夠精確，“你可以肯定，逆因果關係等概念將成為量子現實的組成部分。”