Обнаружена новая связь между запутанностью и суперпозицией в любой физической теории, которая помогает подтвердить, что распределение секретных ключей в современных квантовых криптографических протоколах будет работать, даже если квантовая теория неверна и должна быть заменена более фундаментальной, «за пределами квантовой» теории. Предоставлено: Людовико Лами

Физика микромира включает в себя две известные и причудливые концепции: первая заключается в том, что до наблюдения невозможно с уверенностью узнать результат измерения частицы; скорее частица существует в «суперпозиции», охватывающей несколько взаимоисключающих состояний. Таким образом, частица может находиться в двух или более местах одновременно, и вы можете только рассчитать вероятность найти ее в определенном месте, когда будете искать. Второй включает в себя «запутанность», жуткую связь, которая может объединить два объекта, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. И суперпозиция, и запутанность математически описываются квантовой теорией. Но многие физики считают, что окончательная теория реальности может лежать за пределами квантовой теории. Теперь, группа физиков и математиков обнаружила новую связь между этими двумя странными свойствами, которая не предполагает, что квантовая теория верна. Их исследование появляется в Физические обзорные письма.

«Мы были очень рады найти эту новую связь, которая выходит за рамки квантовой теории, потому что связь будет действительна даже для более экзотических теорий, которые еще предстоит открыть», — говорит Людовико Лами, член исследовательского центра по физике Foundational Questions институт, FQXi, и физик из Ульмского университета в Германии. «Это важно еще и потому, что оно не зависит от математического формализма квантовой теории и использует только понятия с непосредственной оперативной интерпретацией», — добавляет он. Лами выступил соавтором исследования вместе с Гийомом Обруном из Университета Клода Бернара в Лионе 1 во Франции, Карлосом Паласуэлосом из Мадридского университета Комплутенсе в Испании и Мартином Плавалой из Зигенского университета в Германии.

Хотя квантовая теория оказалась в высшей степени успешной с момента ее разработки столетие назад, физики изо всех сил пытались объединить ее с гравитацией, чтобы создать единую всеобъемлющую «теорию всего». Это говорит о том, что квантовая теория не может быть последним словом в описании реальности, вдохновляя физиков на поиски более фундаментальной основы. Но любая такая окончательная теория должна по-прежнему включать суперпозицию, запутанность и вероятностную природу реальности, поскольку эти особенности снова и снова подтверждались лабораторными тестами. Интерпретация этих экспериментов не зависит от правильности квантовой теории, отмечает Лами.

Квантовая криптография

Есть и практические последствия. Квантовая запутанность играет ключевую роль в разработке квантовых компьютеров — машин, которые могут превзойти стандартные компьютеры в определенных задачах — и в квантовых криптографических протоколах, которые уже используются и используют квантовые правила для обеспечения сверхбезопасной связи по каналам, которые теоретически, невосприимчивы к взлому. Но если в будущем квантовую теорию в конечном итоге придется заменить другой, более фундаментальной теорией, обнаружим ли мы, что эти правила на самом деле недействительны или что эти криптографические протоколы не безопасны, как было обещано?

Проблема в том, что для того, чтобы выяснить это, вам нужно проанализировать суперпозицию и запутанность в терминах какой-то общей — и пока неизвестной — теории, не используя математику квантовой теории. Как вы можете это сделать? Лами и его коллеги решили эту загадку, изучая «общие вероятностные теории», а не квантовую теорию. Исследование было частично поддержано за счет гранта, который Лами и другие получили от Института фундаментальных вопросов, FQXi, для изучения отличительных черт и ограничений интеллекта в обобщенных вероятностных теориях, что позволило им изучить, как информация обрабатывается в абстрактных классических, квантовых и «заквантовые» системы. «Этот грант FQXi дал мне возможность подумать о некоторых универсальных особенностях обработки информации в теориях, выходящих за рамки квантовой механики ., математически смоделированные общими вероятностными теориями, — говорит Лами. — И изучаемый нами пример криптографического примитива — распределение секретных ключей — является одной из самых простых задач, где можно применить этот формализм».

В новой статье, опубликованной в Physical Review Letters , команда показала, что две физические теории проявляют запутанность при объединении, если и только если они обе демонстрируют локальные суперпозиции. Это означает, что запутанность и суперпозиция эквивалентны в любой физической теории, а не только в квантовой теории. Они также подсчитали, что в системах, в которых сохраняется эта эквивалентность — будь то квантовая или внеквантовая — законы теории можно использовать для сверхнадежного шифрования. В частности, команда показала, что некий популярный квантовый криптографический протокол, известный как «BB84», будет работать всегда, даже если однажды обнаружится, что квантовая теория не совсем верна и ее необходимо заменить более фундаментальной теорией.

«Как-то обнадеживает тот факт, что криптография действительно является особенностью всех неклассических теорий, а не просто квантовой странностью, поскольку многие из нас верят, что окончательная теория природы, вероятно, будет неклассической», — говорит Лами. «Даже если однажды мы обнаружим, что квантовая теория неверна, мы все равно будем знать, что распределение секретных ключей в принципе может работать».