Se ha descubierto una conexión novedosa entre el entrelazamiento y la superposición en cualquier teoría física, lo que ayuda a confirmar que la distribución de claves secretas en los protocolos criptográficos cuánticos actuales funcionará, incluso si la teoría cuántica es incorrecta y debe ser reemplazada por una teoría más fundamental, "más allá de la cuántica". . Crédito:Ludovico Lami
La física del microreino involucra dos conceptos famosos y extraños:el primero es que antes de la observación, es imposible saber con certeza el resultado de una medición en una partícula; más bien, la partícula existe en una "superposición" que abarca múltiples estados mutuamente excluyentes. Entonces, una partícula puede estar en dos o más lugares al mismo tiempo, y solo puedes calcular la probabilidad de encontrarla en un lugar determinado cuando miras. El segundo involucra el "enredo", el vínculo espeluznante que puede unir dos objetos, sin importar cuán separados estén. Tanto la superposición como el entrelazamiento se describen matemáticamente mediante la teoría cuántica. Pero muchos físicos creen que la última teoría de la realidad puede estar más allá de la teoría cuántica. Ahora, un equipo de físicos y matemáticos ha descubierto una nueva conexión entre estas dos extrañas propiedades que no asume que la teoría cuántica sea correcta. Su estudio aparece en Physical Review Letters .
"Estábamos muy emocionados de encontrar esta nueva conexión que va más allá de la teoría cuántica porque la conexión será válida incluso para teorías más exóticas que aún no se han descubierto", dice Ludovico Lami, miembro del grupo de expertos de física Foundational Questions. Institute, FQXi, y físico de la Universidad de Ulm, en Alemania. “Esto también es importante porque es independiente del formalismo matemático de la teoría cuántica y utiliza solo nociones con una interpretación operativa inmediata”, agrega. Lami fue coautor del estudio con Guillaume Aubrun de la Universidad Claude Bernard Lyon 1, en Francia, Carlos Palazuelos, de la Universidad Complutense de Madrid, en España, y Martin Plávala, de la Universidad de Siegen, en Alemania.
Si bien la teoría cuántica ha demostrado ser sumamente exitosa desde su desarrollo hace un siglo, los físicos han luchado por unificarla con la gravedad para crear una "teoría del todo" global. Esto sugiere que la teoría cuántica puede no ser la última palabra en la descripción de la realidad, lo que inspira a los físicos a buscar un marco más fundamental. Pero cualquier teoría final de este tipo aún debe incorporar la superposición, el entrelazamiento y la naturaleza probabilística de la realidad, ya que estas características se han confirmado una y otra vez en las pruebas de laboratorio. La interpretación de estos experimentos no depende de que la teoría cuántica sea correcta, señala Lami.
Criptografía cuántica
También hay implicaciones prácticas. El entrelazamiento cuántico juega un papel clave en el diseño de las computadoras cuánticas, máquinas que podrían superar a las computadoras estándar en ciertas tareas, y en los protocolos criptográficos cuánticos, que ya están en uso y explotan las reglas cuánticas para proporcionar una comunicación ultrasegura a través de canales que, en teoría. , son inmunes a la piratería. Pero si la teoría cuántica eventualmente necesita ser reemplazada por otra teoría más fundamental en el futuro, ¿descubriremos que estas reglas no eran realmente válidas o que estos protocolos criptográficos no son seguros como se prometió?
El problema es que para averiguarlo necesitas analizar la superposición y el entrelazamiento en términos de alguna teoría general, y aún desconocida, sin utilizar las matemáticas de la teoría cuántica. Como puedes hacer eso? Lami y sus colegas resolvieron este enigma estudiando "teorías probabilísticas generales", en lugar de la teoría cuántica. La investigación fue financiada en parte a través de una subvención que Lami y otros recibieron del Foundational Questions Institute, FQXi, para estudiar las características y limitaciones de la inteligencia en teorías probabilísticas generalizadas, permitiéndoles examinar cómo se procesa la información en abstracto clásico, cuántico y Sistemas "más allá del quántum". "Esta beca FQXi me dio la oportunidad de pensar más de cerca en algunas características universales del procesamiento de información en teorías más allá de la mecánica cuántica, modeladas matemáticamente por teorías probabilísticas generales", dice Lami. "Y el ejemplo primitivo criptográfico que estudiamos, la distribución de claves secretas, es una de las tareas más simples donde se puede aplicar este formalismo".
En el nuevo artículo, publicado en Physical Review Letters , el equipo ha demostrado que dos teorías físicas exhiben entrelazamiento cuando se combinan, si y solo si ambas exhiben superposiciones locales. Esto significa que entrelazamiento y superposición son equivalentes en cualquier teoría física, no solo en la teoría cuántica. También calcularon que en los sistemas donde se mantiene esta equivalencia, ya sea cuántica o más allá de la cuántica, las leyes de la teoría pueden explotarse para un cifrado ultraseguro. En particular, el equipo demostró que cierto protocolo criptográfico cuántico popular, conocido como "BB84", siempre funcionará, incluso si algún día se descubre que la teoría cuántica no es completamente correcta y debe ser reemplazada por una teoría más fundamental.
"De alguna manera es tranquilizador saber que la criptografía es realmente una característica de todas las teorías no clásicas, y no solo una rareza cuántica, ya que muchos de nosotros creemos que la última teoría de la naturaleza probablemente será no clásica", dice Lami. "Incluso si algún día descubrimos que la teoría cuántica es incorrecta, sabremos que la distribución de claves secretas puede funcionar en principio". El enredo es una característica inevitable de la realidad