Открита е нова връзка между два странни квантови феномена – суперпозиция и заплитане


Абстрактни квантови изчисления

Открита е нова връзка между две странни квантови феномена – суперпозиция и заплитане – с последици за свръхсигурната криптография.

Принцип на “отвъд квантовата” еквивалентност за суперпозиция и заплитане.

Проучване, финансирано от Института за основополагащи въпроси (FQXi), установи нова връзка между две странни квантови явления – суперпозиция и заплитане – с последици за свръхсигурната криптография.

Физиката на микросферата включва две добре познати и странни концепции: Първата е, че преди наблюдението е невъзможно да се знае със сигурност резултатът от измерването на частица; по-скоро частицата съществува в “суперпозиция”, включваща много взаимно изключващи се състояния. Така че една частица може да бъде на две или повече места едновременно и можете да изчислите вероятността да я намерите на определено място само когато погледнете. Вторият включва „заплитане“, призрачната връзка, която може да обедини два обекта, без значение колко далеч са физически разделени. Квантовата теория математически описва както суперпозицията, така и заплитането.

Но много физици вярват, че върховната теория на реалността може да лежи отвъд квантовата теория. Сега екип от физици и математици откри нова връзка между тези две странни свойства, която не предполага, че квантовата теория е вярна. Тяхното изследване е публикувано в Писма за физически преглед и е избран като предложение на редактора от списанието.

Заплитането и наслагването са еквивалентни

Открита е нова връзка между заплитането и суперпозицията във всяка физическа теория, което помага да се потвърди, че разпределението на секретния ключ в настоящите квантови криптографски протоколи ще работи, дори ако квантовата теория е неправилна и трябва да бъде заменена с по-фундаментална, „отвъд квантовата“ теория . Кредит: Лудовико Лами

„Бяхме наистина развълнувани да открием тази нова връзка, която надхвърля квантовата теория, защото връзката ще бъде валидна дори за по-екзотични теории, които тепърва ще бъдат открити“, казва Лудовико Лами, член на мозъчния тръст по физика, The Foundational Questions Институт, FQXi, и физик в университета в Улм, Германия. „Това също е важно, защото е независимо от математическия формализъм на квантовата теория и използва само понятия с непосредствена оперативна интерпретация“, добавя той. Лами е съавтор на изследването с Гийом Обрен от Университета Клод Бернар, Лион 1, Франция, Карлос Паласуелос от Университета Комплутенсе в Мадрид, Испания, и Мартин Плавала, от университета Зиген, Германия.

Докато квантовата теория се оказа изключително успешна от нейното развитие преди век, физиците се борят да я обединят с гравитацията, за да създадат една всеобхватна „теория на всичко“. Това предполага, че квантовата теория може да не е последната дума при описанието на реалността, вдъхновявайки физиците да търсят по-фундаментална рамка. Но всяка такава крайна теория трябва да включва суперпозиция, заплитане и вероятностен характер на реалността, тъй като тези характеристики са били потвърждавани отново и отново в лабораторни тестове. Интерпретацията на тези експерименти не зависи от правилността на квантовата теория, отбелязва Лами.

Квантова криптография

Има и практически последици. Квантовото заплитане играе ключова роля в проектирането на квантови компютри – машини, които биха могли да превъзхождат стандартните компютри при определени задачи – и в квантовите криптографски протоколи, които вече се използват и използват квантовите правила, за да осигурят свръхсигурна комуникация между канали, които на теория , са имунизирани срещу хакване. Но ако квантовата теория в крайна сметка трябва да бъде заменена с друга, по-фундаментална теория в бъдеще, ще открием ли, че тези правила не са били наистина валидни или тези криптографски протоколи не са сигурни, както е обещано?

Проблемът е, че за да разберете, трябва да анализирате суперпозицията и заплитането от гледна точка на някаква обща – и все още неизвестна – теория, без да използвате математиката на квантовата теория. Как можеш да правиш това? Лами и колегите му решават този пъзел, като изучават „общи вероятностни теории“, а не квантовата теория. Изследването беше подкрепено отчасти чрез безвъзмездна помощ, която Лами и други получиха от Института за основополагащи въпроси, FQXi, за изучаване на отличителните белези и ограничения на интелигентността в обобщените вероятностни теории, което им позволява да проучат как информацията се обработва в абстрактни класически, квантови и „отвъд квантовите“ системи.

„Този ​​грант от FQXi ми даде възможност да помисля за някои универсални характеристики на обработката на информация в теории извън квантовата механика, математически моделирани от общите вероятностни теории, по-отблизо“, казва Лами. „И криптографският примитивен пример, който изучаваме, разпределението на секретни ключове, е една от най-простите задачи, при които този формализъм може да бъде приложен.“

В новата статия, публикувана в списанието Писма за физически преглед, екипът показа, че две физически теории показват заплитане, когато се комбинират, ако и само ако и двете показват локални суперпозиции. Това означава, че заплитането и суперпозицията са еквивалентни във всяка физическа теория, а не само в квантовата теория. Те също така изчислиха, че в системи, където тази еквивалентност е валидна – независимо дали е квантова или извън квантовата – законите на теорията могат да бъдат използвани за свръхсигурно криптиране. По-специално, екипът показа, че определен популярен квантов криптографски протокол, известен като “BB84”, винаги ще работи – дори ако един ден се установи, че квантовата теория не е напълно правилна и трябва да бъде заменена с по-фундаментална теория.

„Някак си е успокояващо да знаем, че криптографията наистина е характеристика на всички некласически теории, а не само квантова странност, тъй като много от нас вярват, че върховната теория на природата вероятно ще бъде некласическа“, казва Лами. „Дори ако един ден открием, че квантовата теория е неправилна, ние пак ще знаем, че разпределението на секретния ключ по принцип може да работи.

Справка: „Заплитането и наслагването са еквивалентни понятия във всяка физическа теория“ от Гийом Обрен, Лудовико Лами, Карлос Паласуелос и Мартин Плавала, 22 април 2022 г., Писма за физически преглед.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.160402

Тази работа беше частично подкрепена чрез програмата Intelligence in the Physical World на FQXi.