Et hinsides kvanteækvivalensprincip for superposition og sammenfiltring

Mikrorigets fysik involverer to berømte og bizarre begreber:Det første er, at det før observation er umuligt med sikkerhed at vide resultatet af en måling på en partikel; snarere eksisterer partiklen i en "superposition", der omfatter flere gensidigt eksklusive tilstande. En partikel kan altså være to eller flere steder på samme tid, og man kan kun beregne sandsynligheden for at finde den et bestemt sted, når man kigger efter. Den anden involverer "sammenfiltring", det uhyggelige led, der kan forene to objekter, uanset hvor langt de er adskilt. Både superposition og sammenfiltring beskrives matematisk af kvanteteori. Men mange fysikere mener, at den ultimative teori om virkelighed kan ligge hinsides kvanteteorien. Nu har et hold fysikere og matematikere opdaget en ny sammenhæng mellem disse to underlige egenskaber, der ikke antager, at kvanteteorien er korrekt. Deres undersøgelse vises i Physical Review Letters .

"Vi var virkelig spændte på at finde denne nye forbindelse, der går ud over kvanteteorien, fordi forbindelsen vil være gyldig selv for mere eksotiske teorier, der endnu ikke er opdaget," siger Ludovico Lami, medlem af fysik-tænketanken, Fundamental Questions Institut, FQXi, og en fysiker ved University of Ulm, i Tyskland. "Dette er også vigtigt, fordi det er uafhængigt af kvanteteoriens matematiske formalisme og kun bruger begreber med en umiddelbar operationel fortolkning," tilføjer han. Lami var medforfatter af undersøgelsen sammen med Guillaume Aubrun fra Claude Bernard University Lyon 1 i Frankrig, Carlos Palazuelos fra Complutense University of Madrid i Spanien og Martin Plávala fra Siegen University i Tyskland.

Mens kvanteteorien har vist sig at være yderst succesfuld siden dens udvikling for et århundrede siden, har fysikere kæmpet for at forene den med tyngdekraften for at skabe én overordnet "teori om alting." Dette tyder på, at kvanteteori måske ikke er det sidste ord om at beskrive virkeligheden, hvilket inspirerer fysikere til at jage efter en mere grundlæggende ramme. Men enhver sådan ultimativ teori skal stadig inkorporere superposition, sammenfiltring og virkelighedens sandsynlighedsbeskaffenhed, eftersom disse træk er blevet bekræftet gang på gang i laboratorietests. Fortolkningen af ​​disse eksperimenter afhænger ikke af, at kvanteteorien er korrekt, bemærker Lami.

Kvantekryptografi

Der er også praktiske konsekvenser. Kvantesammenfiltring spiller en nøglerolle i designet af kvantecomputere – maskiner, der kunne udkonkurrere standardcomputere ved visse opgaver – og i kvantekryptografiske protokoller, som allerede er i brug og udnytter kvanteregler til at give ultrasikker kommunikation på tværs af kanaler, der i teorien , er immune over for hacking. Men hvis kvanteteorien til sidst skal erstattes af en anden, mere fundamental teori i fremtiden, vil vi så opdage, at disse regler ikke rigtig var gyldige, eller at disse kryptografiske protokoller ikke er sikre som lovet?

Problemet er, at for at finde ud af, skal du analysere superposition og sammenfiltring i form af en generel – og endnu ukendt – teori uden at bruge kvanteteoriens matematik. Hvordan kan du gøre det? Lami og hans kolleger løste dette puslespil ved at studere "generelle sandsynlighedsteorier" snarere end kvanteteori. Forskningen blev delvist støttet gennem en bevilling, som Lami og andre modtog fra Foundational Questions Institute, FQXi, for at studere intelligensens kendetegn og begrænsninger i generaliserede sandsynlighedsteorier, hvilket giver dem mulighed for at undersøge, hvordan information behandles i abstrakt klassisk, kvante- og kvanteteknologi. "ud over kvantesystemer". "Denne FQXi-bevilling gav mig chancen for at tænke nærmere over nogle universelle træk ved informationsbehandling i teorier ud over kvantemekanikken, matematisk modelleret af generelle sandsynlighedsteorier," siger Lami. "Og det kryptografiske primitive eksempel, som vi studerer, hemmelig nøgledistribution, er en af ​​de enkleste opgaver, hvor denne formalisme kan anvendes."

I det nye papir, offentliggjort i Physical Review Letters , holdet har vist, at to fysiske teorier udviser sammenfiltring, når de kombineres, hvis og kun hvis de begge udviser lokale superpositioner. Dette betyder, at sammenfiltring og superposition er ækvivalente i enhver fysisk teori, ikke kun i kvanteteori. De beregnede også, at i systemer, hvor denne ækvivalens gælder - uanset om det er kvante eller ud over kvante - kan teoriens love udnyttes til ultrasikker kryptering. Især viste holdet, at en bestemt populær kvantekryptografisk protokol, kendt som "BB84", altid vil fungere - selvom det en dag viser sig, at kvanteteorien ikke er helt korrekt og skal erstattes med en mere grundlæggende teori.

"Det er på en eller anden måde betryggende at vide, at kryptografi virkelig er et træk ved alle ikke-klassiske teorier og ikke kun en kvantemærkelighed, da mange af os tror, ​​at den ultimative naturteori sandsynligvis vil være ikke-klassisk," siger Lami. "Selv hvis vi en dag fandt kvanteteorien forkert, vil vi stadig vide, at hemmelig nøglefordeling i princippet kan fungere." + Udforsk yderligere

Sammenfiltring er et uundgåeligt træk ved virkeligheden