De fysica van het microrijk omvat twee beroemde en bizarre concepten:de eerste is dat het voorafgaand aan observatie onmogelijk is om met zekerheid de uitkomst van een meting aan een deeltje te weten; het deeltje bestaat eerder in een "superpositie" die meerdere elkaar uitsluitende toestanden omvat. Een deeltje kan dus op twee of meer plaatsen tegelijk zijn, en je kunt alleen de kans berekenen om het op een bepaalde locatie te vinden als je kijkt. De tweede betreft 'verstrengeling', de spookachtige schakel die twee objecten kan verenigen, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Zowel superpositie als verstrengeling worden wiskundig beschreven door de kwantumtheorie. Maar veel natuurkundigen geloven dat de ultieme theorie van de werkelijkheid buiten de kwantumtheorie kan liggen. Nu heeft een team van natuurkundigen en wiskundigen een nieuw verband ontdekt tussen deze twee vreemde eigenschappen die niet veronderstellen dat de kwantumtheorie correct is. Hun studie verschijnt in Physical Review Letters .

"We waren erg enthousiast om deze nieuwe verbinding te vinden die verder gaat dan de kwantumtheorie, omdat de verbinding zelfs geldig zal zijn voor meer exotische theorieën die nog moeten worden ontdekt", zegt Ludovico Lami, een lid van de natuurkundige denktank, de Foundational Questions. Institute, FQXi, en een natuurkundige aan de Universiteit van Ulm, in Duitsland. "Dit is ook belangrijk omdat het onafhankelijk is van het wiskundige formalisme van de kwantumtheorie en alleen begrippen gebruikt met een onmiddellijke operationele interpretatie", voegt hij eraan toe. Lami was co-auteur van de studie met Guillaume Aubrun van de Claude Bernard University Lyon 1, in Frankrijk, Carlos Palazuelos, van de Complutense University of Madrid, in Spanje, en Martin Plávala, van de Siegen University, in Duitsland.

Hoewel de kwantumtheorie uiterst succesvol is gebleken sinds haar ontwikkeling een eeuw geleden, hebben natuurkundigen geworsteld om haar te verenigen met de zwaartekracht om één overkoepelende 'theorie van alles' te creëren. Dit suggereert dat de kwantumtheorie misschien niet het laatste woord is over het beschrijven van de werkelijkheid, wat natuurkundigen inspireert om op zoek te gaan naar een meer fundamenteel kader. Maar zo'n ultieme theorie moet nog steeds superpositie, verstrengeling en de probabilistische aard van de werkelijkheid bevatten, aangezien deze kenmerken keer op keer zijn bevestigd in laboratoriumtests. De interpretatie van deze experimenten hangt niet af van de juistheid van de kwantumtheorie, merkt Lami op.

Kwantumcryptografie

Er zijn ook praktische implicaties. Kwantumverstrengeling speelt een sleutelrol bij het ontwerp van kwantumcomputers - machines die bij bepaalde taken beter kunnen presteren dan standaardcomputers - en in cryptografische kwantumprotocollen, die al in gebruik zijn en gebruikmaken van kwantumregels om ultraveilige communicatie te bieden via kanalen die in theorie , zijn immuun voor hacking. Maar als de kwantumtheorie in de toekomst moet worden vervangen door een andere, meer fundamentele theorie, zullen we dan ontdekken dat deze regels niet echt geldig waren of dat deze cryptografische protocollen niet veilig zijn zoals beloofd?

Het probleem is dat je om erachter te komen superpositie en verstrengeling moet analyseren in termen van een of andere algemene - en tot nu toe onbekende - theorie, zonder de wiskunde van de kwantumtheorie te gebruiken. Hoe kan je dat doen? Lami en zijn collega's hebben deze puzzel opgelost door 'algemene probabilistische theorieën' te bestuderen in plaats van de kwantumtheorie. Het onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door een subsidie ​​die Lami en anderen ontvingen van het Foundational Questions Institute, FQXi, om de kenmerken en beperkingen van intelligentie in gegeneraliseerde probabilistische theorieën te bestuderen, waardoor ze konden onderzoeken hoe informatie wordt verwerkt in abstracte klassieke, kwantum- en "voorbij kwantum" systemen. "Deze FQXi-beurs gaf me de kans om na te denken over een aantal universele kenmerken van informatieverwerking in theorieën die verder gaan dan de kwantummechanica, wiskundig gemodelleerd door algemene probabilistische theorieën, nauwkeuriger", zegt Lami. "En het cryptografische primitieve voorbeeld dat we bestuderen, geheime sleuteldistributie, is een van de eenvoudigste taken waarbij dit formalisme kan worden toegepast."

In het nieuwe artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters , heeft het team aangetoond dat twee fysieke theorieën verstrengeling vertonen wanneer ze worden gecombineerd, als en alleen als ze allebei lokale superposities vertonen. Dit betekent dat verstrengeling en superpositie equivalent zijn in elke natuurkundige theorie, niet alleen in de kwantumtheorie. Ze berekenden ook dat in systemen waar deze gelijkwaardigheid geldt - of het nu kwantum of buiten-kwantum is - de wetten van de theorie kunnen worden benut voor ultraveilige codering. Het team toonde in het bijzonder aan dat een bepaald populair kwantumcryptografisch protocol, bekend als "BB84", altijd zal werken, zelfs als op een dag wordt ontdekt dat de kwantumtheorie niet helemaal correct is en moet worden vervangen door een meer fundamentele theorie.

"Het is op de een of andere manier geruststellend om te weten dat cryptografie echt een kenmerk is van alle niet-klassieke theorieën, en niet alleen een kwantum-rariteit, aangezien velen van ons geloven dat de ultieme natuurtheorie waarschijnlijk niet-klassiek zal zijn", zegt Lami. "Zelfs als we op een dag zouden ontdekken dat de kwantumtheorie onjuist is, zullen we nog steeds weten dat geheime sleuteldistributie in principe kan werken." + Verder verkennen

Verstrengeling is een onvermijdelijk kenmerk van de werkelijkheid