科学家发现叠加和纠缠这两种奇怪量子现象之间的新联系

微观世界的物理学包含了两个众所周知的奇怪概念。第一个概念是，在观察之前，不可能确切地知道对一个粒子的测量结果。相反，该粒子存在于一个由许多相互排斥的状态组成的“叠加”中。

因此，一个粒子可以同时出现在两个或更多的地方，而人们能做的只有在观察时计算出在某一位置发现它的概率。第二种则涉及“纠缠”，这种幽灵般的联系可以将两个物体结合起来，无论它们在物理上相隔多远。量子理论从数学上描述了叠加和纠缠。

但许多物理学家认为，现实的终极理论可能在量子理论之外。现在，一个由物理学家和数学家组成的团队在这两个奇怪的属性之间发现了一种新的联系，它并不假设量子理论是正确的。他们的研究报告已发表在《Physical Review Letters》上。

物理学智囊团基础问题研究所(FQXi)成员、德国乌尔姆大学物理学家Ludovico Lami说道：“我们真的很高兴找到这种超越量子理论的新联系，因为这种联系甚至对尚未发现的更多奇异理论也将有效。”另外，他补充称：“这也非常重要，因为它独立于量子理论的数学形式主义，只使用具有直接操作解释的概念。”Lami跟法国里昂第一大学的Guillaume Aubrun、西班牙马德里康普顿斯大学的Carlos Palazuelos和德国锡根大学的Martin Plával共同撰写了这项研究。

虽然量子理论自一个世纪前发展以来已被证明是极其成功的，但物理学家们一直在努力将其跟引力统一起来以创建一个总体的“万物理论”。这表明，量子理论可能不是描述现实的最后一句话，激励着物理学家们去寻找一个更基本的框架。但任何这样的终极理论仍必须包含叠加、纠缠和现实的概率性质，因为这些特征已经在实验室测试中被一再证实。Lami指出，对这些实验的解释并不取决于量子理论是否正确。

量子密码学

量子纠缠在量子计算机的设计中起着关键作用–这种机器在某些任务上可以超过标准计算机，并且在量子加密协议中也起着关键作用，这些协议已经在使用并利用量子规则在理论上对黑客免疫的通道上提供超安全的通信。但如果未来量子理论最终需要被另一种更基本的理论所取代，我们是否会发现这些规则并不真正有效或这些加密协议并不像承诺的那样安全？

问题是，要想发现这一点，你需要从一些一般的–尚不清楚的–理论来分析叠加和纠缠，而不使用量子理论的数学知识。对此，Lami和他的同事们通过研究“一般概率理论”而非量子理论来解决这个难题。这项研究得到了Lami和其他人从基础问题研究所(FQXi)获得的部分资助以研究广义概率理论中智能的特点和局限性，这使他们能研究在抽象的经典、量子和“超越量子”系统中如何处理信息。

在发表在《Physical Review Letters》上的这篇新论文中，该团队表明，两个物理理论在结合时表现出纠缠–当且仅当它们都表现出局部叠加。这意味着纠缠和叠加在任何物理理论中都是等同的，而不仅仅是在量子理论中。他们还计算出，在这种等价关系成立的系统中–无论是量子还是超量子–该理论的规律可以被用来进行超安全的加密。特别是，研究小组表明，某种流行的量子加密协议，即所谓的“BB84”将永远有效–即使有一天发现量子理论并不完全正确并需要用更基本的理论来取代。

“知道密码学确实是所有非经典理论的一个特征，而不仅仅是一个量子怪圈，这在某种程度上是令人欣慰的，因为我们中的许多人相信自然界的最终理论将可能是非经典的。即使有一天我们发现量子理论是不正确的，我们仍会知道秘密密钥分配原则上是可以工作的，”Lami说道。

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