光子盒子研究所出品
我們現(xiàn)在正處于量子化學(xué)第二個(gè)世紀(jì)的開始。 日前，《 》雜志邀請(qǐng)了四位研究人員（日本國(guó)立成功研究所院長(zhǎng)Yeong-Liang、國(guó)際數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院格里菲斯學(xué)院的Eric）分享了他們新的研究方向思路和嘗試回答舊問題量子理論基礎(chǔ)的問題。
量子理論和廣義相對(duì)論定義了 20 世紀(jì)的數(shù)學(xué)，并使我們明天使用的許多技術(shù)成為可能。 而且，使用量子理論總是比理解其基礎(chǔ)領(lǐng)先幾步：雖然已經(jīng)取得了幾年的進(jìn)展，但仍有許多懸而未決的問題。
六年前，確定了兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：量子檢測(cè)問題（調(diào)和細(xì)胞進(jìn)化和波函數(shù)坍縮，解釋經(jīng)典世界的出現(xiàn)）和尋找量子引力理論（如何調(diào)和廣義相對(duì)論和量子理論）。 當(dāng)時(shí)，還不清楚量子信息論能否幫助解決此類問題； 明天，我們?nèi)匀粵]有答案，但已經(jīng)開辟了一些新的途徑。
這個(gè)新方向表明，除了貝爾定律之外，還有很多東西有待探索； 除了基于信息的方法，還有其他理論工具可以幫助完成這些任務(wù)。
永良
日本國(guó)立成功學(xué)院院長(zhǎng)
毋庸置疑量子物理學(xué)名詞，對(duì)糾纏及其形成的令人不安的非經(jīng)典相關(guān)性的研究導(dǎo)致了量子熱基礎(chǔ)的許多發(fā)展。 例如，通過檢測(cè)處于糾纏態(tài)的單個(gè)子系統(tǒng)獲得的相關(guān)性在理解 --Rosen (EPR) 悖論、貝爾定律和其他革命性發(fā)現(xiàn)方面發(fā)揮了重要作用。 據(jù)悉，其中一些發(fā)現(xiàn)也推動(dòng)了量子技術(shù)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。
在量子理論中，檢測(cè)是由算子描述的。 但是，檢測(cè)不必是本地的； 它們也可以是集體的，即操作員同時(shí)作用于兩個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)。 當(dāng)一個(gè)或多個(gè)這樣的算子與一個(gè)（非標(biāo)準(zhǔn)化的）糾纏態(tài)相關(guān)聯(lián)時(shí)，這種集體檢測(cè)稱為糾纏。 一個(gè)著名的例子是貝爾態(tài)檢測(cè) (BSM)，它可以區(qū)分四個(gè)相互正交、最大糾纏的雙比特態(tài)：這在超密集編碼和量子隱形傳態(tài)等任務(wù)中至關(guān)重要。 以一種變相的方式，BSM 在普西定律的證明中也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，主張對(duì)量子態(tài)進(jìn)行本體論解釋（這意味著量子態(tài)必須不僅僅是一個(gè)人對(duì)系統(tǒng)的知識(shí)狀態(tài)）。
在將我們限制在所謂的投影檢測(cè)（教科書量子熱學(xué)中隱含的那種）的同時(shí)，糾纏檢測(cè)也可以在其他基礎(chǔ)上執(zhí)行（例如，由非最大糾纏態(tài)產(chǎn)生的檢測(cè)）。 這有什么用？ 我們現(xiàn)在有明確的證據(jù)表明，在涉及獨(dú)立來源的廣義貝爾實(shí)驗(yàn)中，一些優(yōu)于 BSM 的糾纏檢測(cè)在形成非規(guī)范相關(guān)性方面更加穩(wěn)健。 糾纏檢測(cè)在其他方面也具有相關(guān)性，例如改進(jìn)對(duì)貝爾方程和量子計(jì)量學(xué)的違反。 它還提供了這些分析的實(shí)驗(yàn)證明。
我們花了幾年或六年的時(shí)間試圖了解各種情況下的糾纏，我相信為糾纏檢測(cè)做同樣的事情的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。 事實(shí)上，我們從最新的研究中知道，量子檢測(cè)的本質(zhì)還沒有被完全理解。
埃里克
格里菲斯學(xué)院
在過去的兩年中，一系列將貝爾定律與 1961 悖論的特征相結(jié)合的結(jié)果創(chuàng)造了關(guān)于知識(shí)和現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的全新視角和問題。
局部友好性 (Local, LF) 法則從嚴(yán)格弱于推導(dǎo)貝爾方程所需條件的前提得出對(duì)經(jīng)驗(yàn)觀察到的相關(guān)性（LF 方程）的約束（它不假設(shè)相關(guān)性必須與隱藏變量解釋相關(guān)）。 因此，一個(gè)推論性的實(shí)驗(yàn)證明，違反 LF 方程（稱為 LF 檢驗(yàn)）將比違反貝爾方程（貝爾檢驗(yàn)）更顯著，這最終排除了所謂的“局部隱變量模型”。 違反LF意味著我們必須放棄弱模式的局域性，或者選擇的自由，或者從根本上改變風(fēng)暴的經(jīng)典概念，否認(rèn)觀測(cè)到的風(fēng)暴是絕對(duì)的，而不是相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)觀測(cè)，或，或相對(duì)到波函數(shù)的一個(gè)分支。
但是這樣的推論證明也比任何貝爾實(shí)驗(yàn)都更具挑戰(zhàn)性。 這是因?yàn)?LF 測(cè)試類似于思想實(shí)驗(yàn)，考慮了觀察者可以被置于與不同觀察相對(duì)應(yīng)的可控量子疊加態(tài)的情況：由于復(fù)雜系統(tǒng)的快速環(huán)境退相干，這可能很困難。 原理驗(yàn)證 LF 測(cè)試早已得到證明，并且一直由單個(gè)量子比特扮演“觀察者”的角色。 現(xiàn)在的問題是，如果可以使用越來越復(fù)雜的系統(tǒng)作為觀察者，是否會(huì)建立相同的結(jié)果。 LF 定律意味著 LF 是假的； 或者根本不可能與真正的觀察者一起違反等式。
然而，確定什么算作觀察者/觀察是一個(gè)根本性的難題。 然而，實(shí)驗(yàn)性 LF 測(cè)試協(xié)議不需要對(duì)這個(gè)問題給出明確的答案。 相反，當(dāng)給定的數(shù)學(xué)系統(tǒng)扮演觀察者的角色時(shí)，任何違反 LF 方程的行為都意味著 LF 是錯(cuò)誤的，或者特定的系統(tǒng)或過程不能被視為觀察者或觀察。 因此，一系列越來越復(fù)雜的測(cè)試將提供越來越有意義的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而限制檢測(cè)問題的潛在解決方案。
這些實(shí)驗(yàn)方案與用于測(cè)試客觀坍塌模型的實(shí)驗(yàn)方案截然不同并相互補(bǔ)充，后者的策略是實(shí)現(xiàn)越來越宏觀的疊加。 對(duì)于低頻實(shí)驗(yàn)，大小不是主要標(biāo)準(zhǔn)； 相反，它是用一個(gè)以觀察者為特征的系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，觀察者在數(shù)量和質(zhì)量上都越來越復(fù)雜。
低頻測(cè)試程序可以像無錯(cuò)誤的貝爾測(cè)試一樣長(zhǎng)期存在，涉及一系列漸進(jìn)式改進(jìn)，每一步都會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)，并可能對(duì)量子熱學(xué)的基本原理產(chǎn)生新的見解。 如果一個(gè)人工智能系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)為大規(guī)模、快速的量子計(jì)算，那么可以設(shè)想一個(gè)終極測(cè)試。 這種最終的 LF 測(cè)試（甚至是未來的初始測(cè)試）可能不會(huì)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)量子理論預(yù)期的結(jié)果，這種可能性很小但不可忽略。
這將更深入地闡明觀察者的本質(zhì)。
國(guó)際化學(xué)會(huì)
多年來，由于“閉嘴估計(jì)”的心態(tài)，對(duì)量子熱基礎(chǔ)的研究一直被認(rèn)為是不值得追求的。 但正是圍繞量子隨機(jī)性、不確定性是否不能被更基本的確定性機(jī)制所取代的研究，催生了量子信息領(lǐng)域。 第一個(gè)測(cè)試貝爾定律的實(shí)驗(yàn)明確地證明了量子熱力學(xué)和局部隱變量理論是不可調(diào)和的，最初遭到了同時(shí)代人的懷疑。 然而，它們已被證明是理解糾纏的關(guān)鍵，對(duì)量子技術(shù)具有實(shí)際意義。
但貝爾定律也說明經(jīng)典的因果關(guān)系概念不足以解釋量子現(xiàn)象。 然而，遺憾的是，因果關(guān)系的物理理論直到最近才開始作為一個(gè)實(shí)用的框架：它今天被稱為“量子因果關(guān)系”。
量子因果結(jié)構(gòu)（編碼風(fēng)暴和變量之間的因果關(guān)系）的規(guī)模和復(fù)雜性不斷減小，已被證明可以展示新的、更強(qiáng)大的非規(guī)范行為方式。 除了貝爾定律之外，這種新的因果結(jié)構(gòu)允許放寬對(duì)局域性和選擇自由的嚴(yán)格假設(shè)，并且還為反駁量子理論的替代方案開辟了道路。
人們還認(rèn)識(shí)到，干預(yù)因果推理是一種區(qū)分因果關(guān)系和純粹相關(guān)性的核心工具，可以提高我們測(cè)量和探索量子系統(tǒng)非規(guī)范特性的能力。 最后，我們可以考慮因果順序的疊加——一種既不是“X 在 Y 的過去”也不是相反的情況，一種新的量子資源可以提高通信和計(jì)量任務(wù)的效率。
引用計(jì)算機(jī)科學(xué)家和哲學(xué)家朱迪亞·珀?duì)?(Judea Pearl) 的話，“您無法回答您難以提出的問題，也無法提出您無話可說的問題。” 在過去的六年中，因果關(guān)系理論已被證明是一種強(qiáng)大的陳述工具和解決量子熱基礎(chǔ)中各種問題所需的語言。
慕尼黑聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)
量子理論和廣義相對(duì)論在預(yù)測(cè)各自領(lǐng)域的觀測(cè)方面非常成功，但在概念基礎(chǔ)上卻明顯不相容。 無論量子引力理論如何將兩者結(jié)合在一起，它都可能需要擴(kuò)展或改變當(dāng)前數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)。 出于這個(gè)原因，理解和重新表述這些原則并不是表述這樣一個(gè)理論所需努力的附屬物，而是其核心。
量子化學(xué)的基礎(chǔ)領(lǐng)域可以概括為三個(gè)要素的組合：第一，研究第一性原理與物理結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系； 第二，開發(fā)系統(tǒng)地檢驗(yàn)化學(xué)理論內(nèi)部一致性的工具； 第三，指出操作模式，即理論要素與實(shí)驗(yàn)室操作的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 這些方法提出了一種新的基于信息的方法來結(jié)合引力和量子理論，該方法不依賴于特定的理論陳述，而是從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的第一原理和概率中得出結(jié)果。
這些模式已被用于制定化學(xué)過程而不涉及任何時(shí)空結(jié)構(gòu)。 例如，我們知道 A 和 B 之間的信號(hào)可以用來描述因果關(guān)系：如果 A 可以向 B 發(fā)送信號(hào)，那么 A 就在 B 的因果過去中。 更廣泛地說，當(dāng)我們需要放棄經(jīng)典時(shí)空時(shí)，量子因果關(guān)系、量子鐘和量子參考系等研究方向?yàn)槲覀兲峁┝酥贫ɑ瘜W(xué)定律的工具，這是量子引力的一個(gè)重要預(yù)期特征。
另一個(gè)有前景的方向是研究低能量引力區(qū)的引力量子系統(tǒng)，即以引力場(chǎng)為源與引力相互作用的量子系統(tǒng)。 最簡(jiǎn)單的情況是當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量粒子計(jì)劃在量子位置的疊加中時(shí)。 這些低能量方法與傳統(tǒng)的高能量子引力方法有許多概念上的問題，并且在未來幾年或六年內(nèi)將在實(shí)驗(yàn)上被否定。
最重要的是，在研究特定的化學(xué)情況或機(jī)制時(shí)，量子信息工具還提供了一種將結(jié)果擴(kuò)展到所考慮的特定情況之外的方法。 原因是信息論不依賴于特定系統(tǒng)，而僅依賴于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的概率和一般原則。 這些獨(dú)立于設(shè)備的思想（例如貝爾定律）是該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗_辟了通過第一性原理方法和操作考慮評(píng)估廣義相對(duì)論和量子理論在更高能量下的兼容性的可能性，因此量子物理學(xué)名詞，該理論的主要特征被外化了。
這是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。 今天重要的是充分探索這些基于信息的方法的影響和范圍，以及如何將它們與對(duì)引力特性的非微擾考慮相結(jié)合。
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