超量子理论？科学家表明，量子叠加等价于量子纠缠
光子盒研究院出品
基础问题研究所（FQXi）是一个提供资助的组织，旨在“促进、支持和传播对物理学和宇宙学基础问题的探究”。近日，FQXi资助的研究发现了两种奇怪的量子现象（叠加和纠缠）之间存在新的联系，这将对超安全密码学有影响。
量子叠加和纠缠现象之间发现了新的联系，将在“超安全密码”领域产生影响。
微观物理学包含了两个众所周知的概念。第一个是，在观察之前不可能确切地知道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”状态中。因此，一个粒子可以同时出现在两个或更多的地方，而科学家只能在观察时计算出在某一位置发现它的概率。第二种涉及“纠缠”，这种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。近日，一个由物理学家和数学家组成的团队在“纠缠”和“叠加”这两个属性之间发现了一种新的联系，相应的研究成果以《纠缠和叠加态在任何物理理论中都是等价的概念》[1]为题发表在《物理评论快报》上，并被选为Editors’ Suggestion（编辑推荐）。
在所有物理理论中都发现了“纠缠”和“叠加”之间的新联系，这有助于确认目前量子密码协议中的密钥分发是有效的。即使量子理论不正确，也必须由更基本的“超量子”理论来取代。
作者证明了在给定任意两个一般的概率论(GPT)的情况下，以下几点是等价的：(i)若两个理论都是非经典的，则它们的态空间都不是单形的（simplex）；(ii)每个理论都满足强不相容性与“叠加态”的存在是等价的；(iii)若这两个理论的组合表现出纠缠态或纠缠的测量量，则它们是可纠缠的。直观地说，在后量子GPT环境中，叠加态指的是一组两个二元态系综，这些态的系综如果是在测量发生之前显现出来的，就可以明确区分，反之则不行。这个概念很重要，因为作者证明了，就像在量子理论中那样，强不相容形式的叠加态足以实现Bennett-Brassard 于1984提出的密钥分发协议。
FQXi成员、德国乌尔姆大学（University of Ulm）物理学家Ludovico Lami和法国里昂第一大学（Claude Bernard University Lyon 1）的Guillaume Aubrun、西班牙康普顿斯大学（Complutense University）的Carlos Palazuelos、德国锡根大学（Siegen University）的Martin Plávala同撰写了这项研究。Lami表示：“我们对发现这种超越量子理论的新联系感到非常兴奋，因为这种联系甚至对尚未发现的更奇特的理论也将有效。这也很重要，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。”
这一发现对于量子密码学也有实际意义。量子纠缠在量子计算机的设计中起着关键作用：量子计算机结合已有的安全协议，利用量子规则在理论上对黑客攻击免疫的信道上提供超安全的通信。但是，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，或者这些加密协议并不像承诺的那样安全？
要想发现这一点，你需要从一些一般的（甚至尚不清楚的）理论来分析叠加和纠缠，而不使用量子理论的数学知识。怎么能做到这一点呢？Lami和同事们通过研究“一般概率理论”，而不是量子理论来解决这个难题。这项研究得到了FQXi的部分资助，以研究广义概率理论中智能的特点和局限性，使他们能够研究在抽象的经典、量子和“超量子”系统中如何处理信息。
研究表明，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。除此之外，研究团队表明流行的量子加密协议——即“BB84”，也将永远有效，即使某天发现量子理论并不完全正确，需要用更基本的理论来取代。
非经典性和叠加概念与通过强不相容性的纠缠性概念之间的联系，这也是实现BB84协议的关键。
“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，因为我们很多人相信自然界的终极理论将可能是非经典的，”Lami表示“即使有一天我们发现量子理论是不正确的，我们仍然知道密钥分发原则上是可以工作的。”
参考链接：
[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.160402
[2]https://scitechdaily.com/new-connection-discovered-between-two-weird-quantum-phenomena-superposition-and-entanglement/