Et “beyond-quantum” ekvivalensprinsipp for superposisjon og sammenfiltring

Fysikken til mikroriket involverer to kjente og bisarre konsepter: Det første er at før observasjon er det umulig å vite med sikkerhet utfallet av en måling på en partikkel; snarere eksisterer partikkelen i en “superposisjon” som omfatter flere gjensidig utelukkende tilstander. Så en partikkel kan være på to eller flere steder samtidig, og du kan bare beregne sannsynligheten for å finne den på et bestemt sted når du ser. Den andre involverer «entanglement», den skumle lenken som kan forene to objekter, uansett hvor langt de er atskilt. Både superposisjon og sammenfiltring beskrives matematisk av kvanteteori. Men mange fysikere tror at den ultimate teorien om virkelighet kan ligge hinsides kvanteteorien. Nå har et team av fysikere og matematikere oppdaget en ny sammenheng mellom disse to rare egenskapene som ikke antar at kvanteteorien er riktig. Studien deres vises i Fysiske gjennomgangsbrev.

“Vi var veldig glade for å finne denne nye forbindelsen som går utover kvanteteorien fordi forbindelsen vil være gyldig selv for mer eksotiske teorier som ennå ikke er oppdaget,” sier Ludovico Lami, medlem av fysikktenketanken, Foundational Questions Institute, FQXi, og en fysiker ved Universitetet i Ulm, i Tyskland. “Dette er også viktig fordi det er uavhengig av kvanteteoriens matematiske formalisme og kun bruker forestillinger med en umiddelbar operasjonell tolkning,” legger han til. Lami var medforfatter av studien sammen med Guillaume Aubrun fra Claude Bernard University Lyon 1, i Frankrike, Carlos Palazuelos, fra Complutense University of Madrid, i Spania, og Martin Plávala, fra Siegen University, i Tyskland.

Mens kvanteteori har vist seg å være ekstremt vellykket siden utviklingen for et århundre siden, har fysikere kjempet for å forene den med tyngdekraften for å skape en overordnet “teori om alt.” Dette antyder at kvanteteori kanskje ikke er det siste ordet for å beskrive virkeligheten, og inspirerer fysikere til å jakte på et mer grunnleggende rammeverk. Men enhver slik ultimat teori må fortsatt inkludere superposisjon, sammenfiltring og virkelighetens sannsynlige natur, siden disse trekkene har blitt bekreftet gang på gang i laboratorietester. Tolkningen av disse eksperimentene er ikke avhengig av at kvanteteorien er korrekt, bemerker Lami.

Kvantekryptografi

Det er også praktiske implikasjoner. Kvanteforviklinger spiller en nøkkelrolle i utformingen av kvantedatamaskiner – maskiner som kan utkonkurrere standarddatamaskiner ved visse oppgaver – og i kvantekryptografiske protokoller, som allerede er i bruk og utnytter kvanteregler for å gi ultrasikker kommunikasjon på tvers av kanaler som i teorien , er immune mot hacking. Men hvis kvanteteorien til slutt må erstattes av en annen, mer grunnleggende teori i fremtiden, vil vi oppdage at disse reglene egentlig ikke var gyldige eller disse kryptografiske protokoller er ikke sikre som lovet?

Problemet er at for å finne ut må du analysere superposisjon og sammenfiltring i form av en generell – og ennå ukjent – ​​teori, uten å bruke matematikken til kvanteteori. Hvordan kan du gjøre det? Lami og kollegene hans løste dette puslespillet ved å studere “generelle sannsynlighetsteorier,” snarere enn kvanteteori. Forskningen ble delvis støttet gjennom et stipend som Lami og andre mottok fra Foundational Questions Institute, FQXi, for å studere kjennetegn og begrensninger av intelligens i generaliserte sannsynlighetsteorier, slik at de kan undersøke hvordan informasjon behandles i abstrakt klassisk, kvante- og “beyond quantum”-systemer. “Dette FQXi-stipendet ga meg sjansen til å tenke på noen universelle funksjoner ved informasjonsbehandling i teorier utover kvantemekanikkmatematisk modellert av generelle sannsynlighetsteorier, nærmere,” sier Lami. “Og det kryptografiske primitive eksemplet som vi studerer, hemmelig nøkkeldistribusjon, er en av de enkleste oppgavene der denne formalismen kan brukes.”

I den nye avisen, publisert i Fysiske gjennomgangsbrev, har teamet vist at to fysiske teorier viser sammenfiltring når de kombineres, hvis og bare hvis de begge viser lokale superposisjoner. Dette betyr at sammenfiltring og superposisjon er ekvivalente i enhver fysisk teori, ikke bare i kvanteteori. De beregnet også at i systemer der denne ekvivalensen gjelder – enten det er kvante eller utover kvante – kan teoriens lover utnyttes for ultrasikker kryptering. Spesielt viste teamet at en viss populær kvantekryptografisk protokoll, kjent som “BB84,” alltid vil fungere – selv om det en dag blir funnet at kvanteteorien ikke er helt korrekt, og må erstattes med en mer grunnleggende teori.

“Det er på en eller annen måte betryggende å vite at kryptografi virkelig er et trekk ved alle ikke-klassiske teorier, og ikke bare en kvantemerkelighet, siden mange av oss tror at den ultimate naturteorien sannsynligvis vil være ikke-klassisk,” sier Lami. “Selv om vi en dag fant kvanteteori for å være feil vil vi fortsatt vite at hemmelig nøkkeldistribusjon i prinsippet kan fungere.”

---

---

Levert av Foundational Questions Institute, FQXi