Mikrorikets fysik involverar två kända och bisarra begrepp:Det första är att det före observation är omöjligt att med säkerhet veta resultatet av en mätning på en partikel; snarare existerar partikeln i en "superposition" som omfattar flera ömsesidigt uteslutande tillstånd. Så en partikel kan vara på två eller flera ställen samtidigt, och du kan bara beräkna sannolikheten att hitta den på en viss plats när du tittar. Den andra involverar "entanglement", den kusliga länken som kan förena två objekt, oavsett hur långt de är åtskilda. Både superposition och intrassling beskrivs matematiskt av kvantteorin. Men många fysiker tror att den ultimata teorin om verkligheten kan ligga bortom kvantteorin. Nu har ett team av fysiker och matematiker upptäckt ett nytt samband mellan dessa två konstiga egenskaper som inte antar att kvantteorin är korrekt. Deras studie visas i Physical Review Letters .

"Vi var verkligen glada över att hitta denna nya koppling som går utöver kvantteorin eftersom kopplingen kommer att vara giltig även för mer exotiska teorier som ännu inte har upptäckts", säger Ludovico Lami, en medlem av fysikens tankesmedja, Foundational Questions Institutet, FQXi, och en fysiker vid universitetet i Ulm, i Tyskland. "Detta är också viktigt eftersom det är oberoende av kvantteorins matematiska formalism och endast använder begrepp med en omedelbar operationell tolkning", tillägger han. Lami skrev studien tillsammans med Guillaume Aubrun från Claude Bernard University Lyon 1 i Frankrike, Carlos Palazuelos från Complutense University of Madrid i Spanien och Martin Plávala från Siegen University i Tyskland.

Även om kvantteorin har visat sig vara oerhört framgångsrik sedan dess utveckling för ett sekel sedan, har fysiker kämpat för att förena den med gravitationen för att skapa en övergripande "teori om allting". Detta tyder på att kvantteori kanske inte är det sista ordet för att beskriva verkligheten, vilket inspirerar fysiker att jaga efter en mer grundläggande ram. Men varje sådan ultimat teori måste fortfarande inkludera överlagring, förveckling och verklighetens probabilistiska natur, eftersom dessa egenskaper har bekräftats gång på gång i laboratorietester. Tolkningen av dessa experiment är inte beroende av att kvantteorin är korrekt, konstaterar Lami.

Kvantkryptografi

Det finns också praktiska konsekvenser. Kvantintrassling spelar en nyckelroll i designen av kvantdatorer – maskiner som skulle kunna överträffa standarddatorer vid vissa uppgifter – och i kvantkryptografiska protokoll, som redan används och utnyttjar kvantregler för att tillhandahålla ultrasäker kommunikation över kanaler som i teorin , är immuna mot hacking. Men om kvantteorin så småningom måste ersättas av en annan, mer grundläggande teori i framtiden, kommer vi att upptäcka att dessa regler inte riktigt var giltiga eller att dessa kryptografiska protokoll inte är säkra som utlovat?

Problemet är att för att ta reda på det måste du analysera superposition och intrassling i termer av någon allmän – och ännu okänd – teori, utan att använda kvantteorins matematik. Hur kan du göra det? Lami och hans kollegor löste detta pussel genom att studera "allmänna probabilistiska teorier" snarare än kvantteori. Forskningen stöddes delvis genom ett anslag som Lami och andra fick från Foundational Questions Institute, FQXi, för att studera intelligensens kännetecken och begränsningar i generaliserade sannolikhetsteorier, vilket gjorde det möjligt för dem att undersöka hur information bearbetas i abstrakt klassisk, kvantum- och "bortom kvantsystem". "Det här FQXi-bidraget gav mig chansen att närmare fundera över några universella egenskaper hos informationsbehandling i teorier bortom kvantmekaniken, matematiskt modellerade av allmänna sannolikhetsteorier," säger Lami. "Och det kryptografiska primitiva exemplet som vi studerar, hemlig nyckeldistribution, är en av de enklaste uppgifterna där denna formalism kan tillämpas."

I den nya artikeln, publicerad i Physical Review Letters , har teamet visat att två fysikaliska teorier uppvisar intrassling när de kombineras, om och endast om de båda uppvisar lokala superpositioner. Detta betyder att intrassling och superposition är likvärdiga i vilken fysikalisk teori som helst, inte bara i kvantteorin. De beräknade också att i system där denna likvärdighet gäller – oavsett om det är kvant eller bortom kvantum – kan teorins lagar utnyttjas för ultrasäker kryptering. I synnerhet visade teamet att ett visst populärt kvantkryptografiskt protokoll, känt som "BB84", alltid kommer att fungera - även om det en dag visar sig att kvantteorin inte är helt korrekt och måste ersättas med en mer grundläggande teori.

"Det är på något sätt lugnande att veta att kryptografi verkligen är ett inslag i alla icke-klassiska teorier, och inte bara en kvantmärklighet, eftersom många av oss tror att den ultimata teorin om naturen sannolikt kommer att vara icke-klassisk", säger Lami. "Även om vi en dag fann kvantteorin vara felaktig kommer vi fortfarande att veta att hemlig nyckeldistribution i princip kan fungera." + Utforska vidare

Entanglement är ett oundvikligt inslag i verkligheten