數十年來，物理學家相信即使是最奇特的量子物體，其行為在時間上的連結也存在著一個硬限制。無論一個系統有多具量子特性，人們都認為當前與過去和未來之間的相關性是有限的。然而，來自印度和波蘭的一組研究人員現在顯示，這個限制可以通過使用量子位（qubit）顯著打破。透過讓量子位在不同的時間演化超疊加（即一個量子物體同時存在於多個狀態）的情況下進行演變，他們將量子相關性（量子物體或系統之間的連結）推進至長久以來被認為是不可打破的界限之上。這一結果不僅增進了我們對量子性隨時間變化的理解，也為未來製造更可靠的量子計算機和感測器提供了新的可能性。
這項研究的核心是1985年著名的理論，由物理學家安東尼·萊傑特（Anthony Leggett）和阿努帕姆·加爾格（Anupam Garg）提出。他們引入了一個數學測試，現在稱為萊傑特–加爾格不等式（Leggett–Garg inequality），用來檢驗一個物體在不同時間點的測量是否表現得像一個經典物體或量子物體。經典物體遵從這一不等式，而量子物體則可能違反，因為它們在不同時間的特性之間的連結異常強烈。然而，理論家們認為，即使是量子系統，也只能在一個嚴格的最大值下違反這一不等式，這個最大值被稱為時間上的齊雷爾遜界限（temporal Tsirelson’s bound, TTB）。突破這一界限在普通的量子演變框架下被認為是不可能的，但這項新研究表明，這一假設並不總是正確的。
研究人員建議，與其強迫量子系統遵循單一的時間演變，不如讓其同時遵循兩種不相容的演變。從日常角度來看，這就像告訴一個旋轉物體同時順時針和逆時針旋轉。這在經典世界中是不合邏輯的，但在量子力學中，透過超疊加卻是被允許的。
研究作者專注於量子位，這是經典位元的量子版本，也是量子計算機的基本單位。在他們的實驗中，使用了一種有效地容納三個量子位的分子，並利用核磁共振（NMR）技術進行研究。每個量子位都有其特定角色。第一個量子位作為控制器，準備在量子超疊加狀態下。這個控制器決定了第二個量子位（目標量子位）的演變方式。第三個量子位則用來在不同時刻讀取有關目標量子位的信息。
當量子位在單一、明確的規則下演變（稱為單位演變）時，違反萊傑特–加爾格不等式的程度受到 TTB 的限制。然而，在這次實驗中，控制器量子位使目標量子位同時處於兩種不同演變的超疊加狀態。因此，目標量子位同時遵循了兩條不同的歷史。當研究人員測量目標量子位在不同時間的行為相關性時，他們發現違反萊傑特–加爾格不等式的程度遠超過了 TTB。
更重要的是，這一增強並不是隨機的。研究人員顯示，時間演變越強烈地被放入超疊加中，違反的程度就越大。這意味著效果可以被精確調整和控制。當引入噪音和環境擾動，即所謂的去相干（decoherence）時，發生了更加驚人的事情。去相干通常會迅速摧毀量子行為，限制量子位存儲或處理信息的時間。然而，在這裡，時間演變的超疊加使得量子相關性持續的時間大大延長。實驗中，目標量子位可測量的量子時間相關性維持的時間大約是平常的五倍。
這項研究從根本上改變了我們對量子系統隨時間行為的理解。違反 TTB 意味著量子系統的過去和未來之間的相關性可以比先前認為的要強得多。這推動了量子世界結束和經典行為開始的界限。從實際角度看，這一工作為量子技術提供了一種強大的新工具。持久且可控的量子行為對於量子計算至關重要，因為脆弱的量子位必須以極高的精度進行操控。
然而，目前的演示是在一個經過精心控制的實驗室環境中使用 NMR 系統進行的，將這些思想擴展到更大、更複雜的量子設備將面臨挑戰。未來的工作將專注於在其他平台上測試類似的時間演變超疊加，並理解這些極端時間相關性在更一般的測量場景下的行為。這項研究發表在《物理評審快報》（Physical Review Letters）上。
