È stata scoperta una nuova connessione tra entanglement e sovrapposizione in qualsiasi teoria fisica, che aiuta a confermare che la distribuzione delle chiavi segrete negli attuali protocolli crittografici quantistici funzionerà, anche se la teoria quantistica non è corretta e deve essere sostituita da una teoria più fondamentale, "oltre quantistica". . Credito:Ludovico Lami
La fisica del microregno coinvolge due concetti famosi e bizzarri:il primo è che prima dell'osservazione è impossibile conoscere con certezza l'esito di una misurazione su una particella; piuttosto la particella esiste in una "sovrapposizione" che comprende più stati che si escludono a vicenda. Quindi una particella può trovarsi in due o più posti contemporaneamente e puoi solo calcolare la probabilità di trovarla in una determinata posizione quando guardi. Il secondo riguarda l'"entanglement", il legame spettrale che può unire due oggetti, non importa quanto siano separati. Sia la sovrapposizione che l'entanglement sono descritti matematicamente dalla teoria quantistica. Ma molti fisici credono che la teoria definitiva della realtà possa trovarsi al di là della teoria quantistica. Ora, un team di fisici e matematici ha scoperto una nuova connessione tra queste due strane proprietà che non presuppone che la teoria quantistica sia corretta. Il loro studio appare in Lettere di revisione fisica .
"Siamo stati davvero entusiasti di trovare questa nuova connessione che va oltre la teoria quantistica perché la connessione sarà valida anche per teorie più esotiche che devono ancora essere scoperte", afferma Ludovico Lami, membro del think tank di fisica, Foundational Questions Institute, FQXi, e un fisico presso l'Università di Ulm, in Germania. "Questo è importante anche perché è indipendente dal formalismo matematico della teoria quantistica e utilizza solo nozioni con un'interpretazione operativa immediata", aggiunge. Lami è coautore dello studio con Guillaume Aubrun dell'Università Claude Bernard Lyon 1, in Francia, Carlos Palazuelos, dell'Università Complutense di Madrid, in Spagna, e Martin Plávala, dell'Università di Siegen, in Germania.
Mentre la teoria quantistica ha dimostrato di avere un enorme successo sin dal suo sviluppo un secolo fa, i fisici hanno lottato per unificarla con la gravità per creare una "teoria del tutto" generale. Ciò suggerisce che la teoria quantistica potrebbe non essere l'ultima parola per descrivere la realtà, ispirando i fisici a cercare una struttura più fondamentale. Ma qualsiasi teoria finale del genere deve ancora incorporare la sovrapposizione, l'entanglement e la natura probabilistica della realtà, poiché queste caratteristiche sono state confermate più e più volte nei test di laboratorio. L'interpretazione di questi esperimenti non dipende dalla correttezza della teoria quantistica, osserva Lami.
Crittografia quantistica
Ci sono anche implicazioni pratiche. L'entanglement quantistico gioca un ruolo chiave nella progettazione dei computer quantistici, macchine che potrebbero superare i computer standard in determinati compiti, e nei protocolli crittografici quantistici, che sono già in uso e sfruttano le regole quantistiche per fornire comunicazioni ultra sicure attraverso canali che, in teoria , sono immuni all'hacking. Ma se la teoria quantistica alla fine dovrà essere sostituita da un'altra teoria più fondamentale in futuro, scopriremo che queste regole non erano realmente valide o che questi protocolli crittografici non sono sicuri come promesso?
Il problema è che per scoprirlo è necessario analizzare la sovrapposizione e l'entanglement in termini di una teoria generale, e ancora sconosciuta, senza utilizzare la matematica della teoria quantistica. Come puoi farlo? Lami e i suoi colleghi hanno risolto questo enigma studiando "teorie probabilistiche generali" piuttosto che la teoria quantistica. La ricerca è stata sostenuta in parte attraverso una sovvenzione che Lami e altri hanno ricevuto dal Foundational Questions Institute, FQXi, per studiare le caratteristiche e i limiti dell'intelligenza nelle teorie probabilistiche generalizzate, consentendo loro di esaminare come le informazioni vengono elaborate in astratto classico, quantistico e "oltre i sistemi quantistici". "Questa sovvenzione FQXi mi ha dato la possibilità di pensare ad alcune caratteristiche universali dell'elaborazione delle informazioni nelle teorie al di là della meccanica quantistica, modellate matematicamente da teorie probabilistiche generali, più da vicino", afferma Lami. "E l'esempio primitivo crittografico che studiamo, la distribuzione delle chiavi segrete, è uno dei compiti più semplici in cui questo formalismo può essere applicato."
Nel nuovo paper, pubblicato in Physical Review Letters , il team ha dimostrato che due teorie fisiche mostrano entanglement quando combinate, se e solo se entrambe mostrano sovrapposizioni locali. Ciò significa che entanglement e sovrapposizione sono equivalenti in qualsiasi teoria fisica, non solo nella teoria quantistica. Hanno anche calcolato che nei sistemi in cui vale questa equivalenza, quantistica o oltre quantistica, le leggi della teoria possono essere sfruttate per una crittografia ultra sicura. In particular, the team showed that a certain popular quantum cryptographic protocol, known as "BB84," will always work–even if one day it is found that quantum theory is not fully correct, and needs to be replaced with a more fundamental theory.
"It is somehow reassuring to know that cryptography is really a feature of all non-classical theories, and not just a quantum oddity, since many of us believe that the ultimate theory of nature will likely be non-classical," says Lami. "Even if one day we found quantum theory to be incorrect we will still know that secret key distribution can in principle work." + Esplora ulteriormente
