这是量子力学的核心问题，没有人知道答案：叠加中究竟发生了什么？在这种奇特的境况中，粒子似乎同时处于两个或多个地点或状态？2018年，以色列和日本的一个研究团队提出了一项实验，该实验最终可能让我们对这种令人困惑的现象的本质说些确定的东西。
他们的实验旨在使科学家能够偷偷瞥见当一个物体（在本例中是一个称为光子的光粒子）处于叠加态时，它实际位于何处。研究人员预测，答案将比“同时在两个地方”更奇怪、更令人震惊。
叠加的经典例子涉及将光子射向屏障中的两个平行狭缝。量子力学的一个基本方面是，微小粒子可以像波一样运动，因此通过一个狭缝的粒子会与通过另一个狭缝的粒子“干涉”，它们的波纹相互增强或抵消，从而在探测器屏幕上产生特征图案。然而，奇怪的是，即使一次只发射一个粒子，也会发生这种干涉。粒子似乎以某种方式同时通过两个狭缝，与自身发生干涉。这就是叠加。
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更奇怪的是：测量这样一个粒子通过哪个狭缝总是会表明它只通过一个狭缝——但随后波状干涉（如果你愿意，可以称之为“量子性”）就消失了。测量的行为本身似乎“坍缩”了叠加。“我们知道叠加中发生了一些可疑的事情，”以色列高级研究所的物理学家阿夫沙洛姆·埃利祖尔说。“但你不被允许测量它。这就是量子力学如此棘手的原因。”
几十年来，研究人员一直停滞在这个明显的僵局上。他们无法在不观察叠加的情况下准确地说出叠加是什么，但如果他们试图观察它，它就会消失。以色列物理学家亚基尔·阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov，现就职于查普曼大学）及其合作者——埃利祖尔的前导师——开发了一种潜在的解决方案，提出了一种在测量量子粒子之前推断出一些关于量子粒子的信息的方法。阿哈罗诺夫的方法被称为量子力学的双态矢量形式（TSVF），并假设量子事件在某种意义上不仅由过去的量子态决定，而且也由未来的量子态决定。也就是说，TSVF假设量子力学在时间上向前和向后以相同的方式工作。从这个角度来看，因果关系似乎可以及时倒流，发生在它们的影响之后——这种现象称为逆因果关系。
但人们不必字面上理解这个奇怪的概念。相反，在TSVF中，人们可以通过选择结果来获得关于量子系统中发生的事情的回顾性知识：研究人员不是简单地测量粒子最终在哪里结束，而是选择一个特定的位置来寻找它。这被称为后选择，它提供的信息比任何无条件的窥视结果都要多。这是因为粒子在任何时刻的状态都是根据其整个历史（直至包括测量）进行回顾性评估的。奇怪之处在于，看起来好像研究人员——仅仅通过选择寻找特定的结果——然后导致该结果发生。但这有点像得出这样的结论：如果你在你最喜欢的节目安排播出时打开电视，你的行为会导致该节目在那一刻播出。“人们普遍接受TSVF在数学上等同于标准量子力学，”匹兹堡大学的科学哲学家大卫·华莱士说，他专门研究量子力学的解释。“但它确实导致人们看到一些否则看不到的东西。”
例如，以阿哈罗诺夫及其特拉维夫大学的同事列夫·瓦伊德曼（Lev Vaidman）在2003年设计的一个双缝实验版本为例，他们用TSVF对其进行了诠释。这对搭档描述（但没有构建）了一个光学系统，其中单个光子充当“快门”，通过使另一个接近狭缝的“探测”光子反射回来的路径来关闭狭缝。通过对探测光子的测量应用后选择，阿哈罗诺夫和瓦伊德曼表明，人们可以辨别出叠加态中的快门光子同时关闭两个（或实际上任意多个）狭缝。换句话说，这个思想实验在理论上将允许人们有信心地说，快门光子同时“在这里”和“那里”。虽然这种情况从我们的日常经验来看似乎是悖论，但它是量子粒子所谓的非局域性质的一个经过充分研究的方面，其中空间中明确定义的位置的整个概念都瓦解了。
2016年，京都大学的物理学家冈本亮（Ryo Okamoto）和竹内繁树（Shigeki Takeuchi）使用一个光携带电路进行了实验验证，其中快门光子是使用量子路由器创建的，量子路由器是一种让一个光子控制另一个光子所采取的路径的设备。“这是一个开创性的实验，它允许人们推断粒子在两个位置的同时位置，”渥太华大学的埃利祖尔的同事埃利亚胡·科恩（Eliahu Cohen）说。
现在，埃利祖尔和科恩与冈本和竹内合作，设计了一个更令人难以置信的实验。他们相信，这将使研究人员能够肯定地说出关于叠加态中粒子在一系列不同时间点的确切位置——在进行任何实际测量之前。
这一次，探测光子的路径将被部分反射镜分成三条。沿着这些路径中的每一条，它都可能与叠加态中的快门光子相互作用。这些相互作用可以被认为发生在标记为A、B和C的盒子内，其中一个盒子位于光子三条可能路径中的每一条上。通过观察探测光子的自干涉，人们可以回顾性地确定快门粒子在特定时间位于给定的盒子中。
来源：阿曼达·蒙塔内兹
该实验的设计使得探测光子只有在与快门光子在特定的地点和时间序列中相互作用时才会显示干涉：即，如果快门光子在某个时间（t1）同时位于盒子A和C中，然后在稍后的时间（t2）仅位于C中，并在更晚的时间（t3）同时位于盒子B和C中。因此，探测光子中的干涉将是一个明确的迹象，表明快门光子在不同时间在盒子之间进行了这种奇异的、违反逻辑的、脱节的显现序列——埃利祖尔、科恩和阿哈罗诺夫在2017年提出的一个可能性，即单个粒子分散在三个盒子中。“我喜欢这篇论文在整个历史而不是瞬时状态方面提出的关于正在发生的事情的问题的方式，”圣何塞州立大学的物理学家肯·沃顿（Ken Wharton）说，他没有参与这个新项目。“谈论‘状态’是一种古老的普遍偏见，而完整的历史通常更加丰富和有趣。”
埃利祖尔及其同事认为，这种丰富性正是TSVF提供的。粒子在一个地方在某个时间消失——以及它们在其他时间和地点重新出现——暗示了量子粒子的非局域存在所涉及的潜在过程的非凡景象。埃利祖尔说，通过TSVF的视角，这种闪烁的、不断变化的存在可以理解为一系列事件，其中粒子在一个地方的存在被其在同一位置的“反粒子”所“抵消”。他将此与英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）在1920年代提出的想法进行比较，狄拉克认为粒子拥有反粒子，如果将粒子和反粒子放在一起，它们可以相互湮灭。起初，这个概念似乎只是一种说话方式，但很快就导致了反物质的发现。量子粒子的消失并非在这种意义上的“湮灭”，但在某种程度上是类似的：埃利祖尔认为，这些假定的反粒子应该具有负能量和负质量，从而使它们能够抵消其对应物。
因此，尽管传统的“同时在两个地方”的叠加观点可能已经够奇怪了，但“叠加可能是一系列更疯狂的状态的集合，”埃利祖尔说。“量子力学只是告诉你它们的平均值。”他认为，后选择然后允许人们以更高的分辨率隔离和检查其中一些状态。他说，对量子行为的这种解释将是“革命性的”——因为它将需要一个迄今为止未被猜测的、真实的（但非常奇怪的）状态集合，这些状态是反直觉的量子现象的基础。
冈本及其在京都的同事现在已经使用光子进行了拟议的实验，但他们仍在分析结果。科恩说，尽管如此，“初步结果与理论非常吻合。”他说，日本研究人员目前正在改进装置以缩小误差条。
目前，一些外部观察家并没有屏息以待。“实验肯定会成功，”沃顿说——但他补充说，“它不会让任何人信服任何事情，因为结果是标准量子力学预测的。”换句话说，没有令人信服的理由用TSVF而不是研究人员解释量子行为的许多其他方式之一来解释结果。
埃利祖尔同意他们的实验可以使用几十年前流行的传统量子力学观点来构思——但它从未被构思出来。“这难道不是TSVF合理性的一个很好的迹象吗？”他问道。如果有人认为他们可以使用标准量子力学为这个实验中的“真正发生的事情”制定不同的图景，他补充说，“好吧，让他们去吧！”
他确信这项工作预示着“量子力学内部的一场革命”。他说，现在测量方法已经变得足够精确，“你可以肯定，逆因果关系等概念将成为量子现实的组成部分。”