Nova connexió descoberta entre dos fenòmens quàntics estranys: superposició i entrellaçament


Qubits abstractes Informàtica quàntica

Nova connexió descoberta entre dos fenòmens quàntics estranys: la superposició i l’entrellat, amb implicacions per a la criptografia ultrasegura.

Un principi d’equivalència “més enllà del quàntic” per a la superposició i l’entrellat.

L’estudi finançat pel Foundational Questions Institute (FQXi) va trobar una nova connexió entre dos fenòmens quàntics estranys: la superposició i l’entrellat, amb implicacions per a la criptografia ultrasegura.

La física del microregne incorpora dos conceptes coneguts i estranys: El primer és que abans de l’observació, és impossible conèixer amb certesa el resultat d’una mesura sobre una partícula; més aviat la partícula existeix en una “superposició” que inclou molts estats mútuament exclusius. Per tant, una partícula pot estar en dos o més llocs alhora, i només podeu calcular la probabilitat de trobar-la en un lloc determinat quan mireu. La segona implica “l’enredament”, l’enllaç fantasmagòric que pot unir dos objectes, per molt que estiguin separats físicament. La teoria quàntica descriu matemàticament tant la superposició com l’entrellat.

Però molts físics creuen que la teoria definitiva de la realitat pot estar més enllà de la teoria quàntica. Ara, un equip de físics i matemàtics ha trobat una nova connexió entre aquestes dues propietats estranyes que no suposa que la teoria quàntica sigui correcta. El seu estudi de recerca es va publicar a Cartes de revisió física i ha estat seleccionat com a suggeriment dels editors per la revista.

L'entrellat i la superposició són equivalents

S’ha descobert una nova connexió entre l’entrellaçament i la superposició en qualsevol teoria física, que ajuda a confirmar que la distribució de claus secretes en els protocols criptogràfics quàntics actuals funcionarà, fins i tot si la teoria quàntica és incorrecta i s’ha de substituir per una teoria més fonamental, “més enllà del quàntic”. . Crèdit: Ludovico Lami

“Estàvem molt emocionats de trobar aquesta nova connexió que va més enllà de la teoria quàntica perquè la connexió serà vàlida fins i tot per a teories més exòtiques que encara no s’han descobert”, diu Ludovico Lami, membre del grup de reflexió de física, el Foundational Questions. Institut, FQXi, i físic de la Universitat d’Ulm, a Alemanya. “Això també és important perquè és independent del formalisme matemàtic de la teoria quàntica i utilitza només nocions amb una interpretació operativa immediata”, afegeix. Lami va ser coautor de l’estudi amb Guillaume Aubrun de la Universitat Claude Bernard Lió 1, a França, Carlos Palazuelos, de la Universitat Complutense de Madrid, a Espanya, i Martin Plávala, de la Universitat de Siegen, a Alemanya.

Tot i que la teoria quàntica ha demostrat tenir un gran èxit des del seu desenvolupament fa un segle, els físics han lluitat per unificar-la amb la gravetat per crear una “teoria de tot” global. Això suggereix que la teoria quàntica pot no ser l’última paraula per descriure la realitat, inspirant els físics a buscar un marc més fonamental. Però qualsevol teoria final d’aquest tipus encara ha d’incorporar la superposició, l’entrellat i la naturalesa probabilística de la realitat, ja que aquestes característiques s’han confirmat una i altra vegada en proves de laboratori. Lami assenyala que la interpretació d’aquests experiments no depèn que la teoria quàntica sigui correcta.

Criptografia quàntica

També hi ha implicacions pràctiques. L’entrellat quàntic té un paper clau en el disseny d’ordinadors quàntics (màquines que podrien superar els ordinadors estàndard en determinades tasques) i en els protocols de criptografia quàntica, que ja s’utilitzen i exploten les regles quàntiques per proporcionar una comunicació ultrasegura a través de canals que, en teoria , són immunes a la pirateria. Però si finalment la teoria quàntica ha de ser substituïda per una altra teoria més fonamental en el futur, descobrirem que aquestes regles no eren realment vàlides o que aquests protocols criptogràfics no són segurs com es va prometre?

El problema és que per esbrinar-ho cal analitzar la superposició i l’entrellat en termes d’alguna teoria general, encara desconeguda, sense utilitzar les matemàtiques de la teoria quàntica. Com pots fer-ho? Lami i els seus col·legues van resoldre aquest trencaclosques estudiant “teories probabilístiques generals”, en lloc de la teoria quàntica. La investigació va ser recolzada en part a través d’una subvenció que Lami i altres van rebre de l’Institut de preguntes fundacionals, FQXi, per estudiar els distintius i les limitacions de la intel·ligència en les teories probabilístiques generalitzades, cosa que els va permetre examinar com es processa la informació en abstractes clàssics, quàntics i “més enllà dels sistemes quàntics”.

“Aquesta beca FQXi em va donar l’oportunitat de pensar en algunes característiques universals del processament de la informació en teories més enllà de la mecànica quàntica, modelades matemàticament per teories probabilistes generals, més de prop”, diu Lami. “I l’exemple primitiu criptogràfic que estudiem, la distribució de claus secretes, és una de les tasques més senzilles on es pot aplicar aquest formalisme”.

En el nou article, publicat a la revista Cartes de revisió física, l’equip ha demostrat que dues teories físiques presenten entrellaçament quan es combinen, si i només si totes dues presenten superposicions locals. Això vol dir que l’entrellat i la superposició són equivalents en qualsevol teoria física, no només en la teoria quàntica. També van calcular que en sistemes on aquesta equivalència es manté, ja sigui quàntica o més enllà del quàntic, les lleis de la teoria es poden explotar per a un xifratge ultra-segur. En particular, l’equip va demostrar que un cert protocol criptogràfic quàntic popular, conegut com “BB84”, sempre funcionarà, fins i tot si un dia es descobreix que la teoria quàntica no és del tot correcta i s’ha de substituir per una teoria més fonamental.

“És d’alguna manera tranquil·litzador saber que la criptografia és realment una característica de totes les teories no clàssiques, i no només una raresa quàntica, ja que molts de nosaltres creiem que la teoria definitiva de la natura probablement no serà clàssica”, diu Lami. “Encara que un dia trobéssim que la teoria quàntica és incorrecta, encara sabrem que la distribució de claus secretes pot funcionar en principi”.

Referència: “Entanglement and Superposition Are Equivalent Concepts in Any Physical Theory” per Guillaume Aubrun, Ludovico Lami, Carlos Palazuelos i Martin Plávala, 22 d’abril de 2022, Cartes de revisió física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.160402

Aquest treball va comptar amb el suport parcial del programa Intel·ligència al món físic de FQXi.