光子盒子研究所出品
我們現(xiàn)在正處于量子化學第二個世紀的開始。 日前，《 》雜志邀請了四位研究人員（日本國立成功研究所院長Yeong-Liang、國際數(shù)學學會、蘇黎世聯(lián)邦理工學院格里菲斯學院的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論定義了 20 世紀的數(shù)學，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)取得了幾年的進展，但仍有許多懸而未決的問題。
六年前，確定了兩個主要挑戰(zhàn)：量子檢測問題（調(diào)和細胞進化和波函數(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)和廣義相對論和量子理論）。 當時，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
日本國立成功學院院長
毋庸置疑量子物理學名詞，對糾纏及其形成的令人不安的非經(jīng)典相關(guān)性的研究導致了量子熱基礎(chǔ)的許多發(fā)展。 例如，通過檢測處于糾纏態(tài)的單個子系統(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)也推動了量子技術(shù)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。
在量子理論中，檢測是由算子描述的。 但是，檢測不必是本地的； 它們也可以是集體的，即操作員同時作用于兩個或多個子系統(tǒng)。 當一個或多個這樣的算子與一個（非標準化的）糾纏態(tài)相關(guān)聯(lián)時，這種集體檢測稱為糾纏。 一個著名的例子是貝爾態(tài)檢測 (BSM)，它可以區(qū)分四個相互正交、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，主張對量子態(tài)進行本體論解釋（這意味著量子態(tài)必須不僅僅是一個人對系統(tǒng)的知識狀態(tài)）。
在將我們限制在所謂的投影檢測（教科書量子熱學中隱含的那種）的同時，糾纏檢測也可以在其他基礎(chǔ)上執(zhí)行（例如，由非最大糾纏態(tài)產(chǎn)生的檢測）。 這有什么用？ 我們現(xiàn)在有明確的證據(jù)表明，在涉及獨立來源的廣義貝爾實驗中，一些優(yōu)于 BSM 的糾纏檢測在形成非規(guī)范相關(guān)性方面更加穩(wěn)健。 糾纏檢測在其他方面也具有相關(guān)性，例如改進對貝爾方程和量子計量學的違反。 它還提供了這些分析的實驗證明。
我們花了幾年或六年的時間試圖了解各種情況下的糾纏，我相信為糾纏檢測做同樣的事情的時機已經(jīng)成熟。 事實上，我們從最新的研究中知道，量子檢測的本質(zhì)還沒有被完全理解。
埃里克
格里菲斯學院
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)于知識和現(xiàn)實本質(zhì)的全新視角和問題。
局部友好性 (Local, LF) 法則從嚴格弱于推導貝爾方程所需條件的前提得出對經(jīng)驗觀察到的相關(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，一個推論性的實驗證明，違反 LF 方程（稱為 LF 檢驗）將比違反貝爾方程（貝爾檢驗）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暴的經(jīng)典概念，否認觀測到的風暴是絕對的，而不是相對于一個或多個觀測，或，或相對到波函數(shù)的一個分支。
但是這樣的推論證明也比任何貝爾實驗都更具挑戰(zhàn)性。 這是因為 LF 測試類似于思想實驗，考慮了觀察者可以被置于與不同觀察相對應的可控量子疊加態(tài)的情況：由于復雜系統(tǒng)的快速環(huán)境退相干，這可能很困難。 原理驗證 LF 測試早已得到證明，并且一直由單個量子比特扮演“觀察者”的角色。 現(xiàn)在的問題是，如果可以使用越來越復雜的系統(tǒng)作為觀察者，是否會建立相同的結(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/觀察是一個根本性的難題。 然而，實驗性 LF 測試協(xié)議不需要對這個問題給出明確的答案。 相反，當給定的數(shù)學系統(tǒng)扮演觀察者的角色時，任何違反 LF 方程的行為都意味著 LF 是錯誤的，或者特定的系統(tǒng)或過程不能被視為觀察者或觀察。 因此，一系列越來越復雜的測試將提供越來越有意義的實驗數(shù)據(jù)，從而限制檢測問題的潛在解決方案。
這些實驗方案與用于測試客觀坍塌模型的實驗方案截然不同并相互補充，后者的策略是實現(xiàn)越來越宏觀的疊加。 對于低頻實驗，大小不是主要標準； 相反，它是用一個以觀察者為特征的系統(tǒng)進行的實驗，觀察者在數(shù)量和質(zhì)量上都越來越復雜。
低頻測試程序可以像無錯誤的貝爾測試一樣長期存在，涉及一系列漸進式改進，每一步都會帶來新的挑戰(zhàn)，并可能對量子熱學的基本原理產(chǎn)生新的見解。 如果一個人工智能系統(tǒng)只能實現(xiàn)為大規(guī)模、快速的量子計算，那么可以設(shè)想一個終極測試。 這種最終的 LF 測試（甚至是未來的初始測試）可能不會產(chǎn)生標準量子理論預期的結(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)。
國際化學會
多年來，由于“閉嘴估計”的心態(tài)，對量子熱基礎(chǔ)的研究一直被認為是不值得追求的。 但正是圍繞量子隨機性、不確定性是否不能被更基本的確定性機制所取代的研究，催生了量子信息領(lǐng)域。 第一個測試貝爾定律的實驗明確地證明了量子熱力學和局部隱變量理論是不可調(diào)和的，最初遭到了同時代人的懷疑。 然而，它們已被證明是理解糾纏的關(guān)鍵，對量子技術(shù)具有實際意義。
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實用的框架：它今天被稱為“量子因果關(guān)系”。
量子因果結(jié)構(gòu)（編碼風暴和變量之間的因果關(guān)系）的規(guī)模和復雜性不斷減小，已被證明可以展示新的、更強大的非規(guī)范行為方式。 除了貝爾定律之外，這種新的因果結(jié)構(gòu)允許放寬對局域性和選擇自由的嚴格假設(shè)，并且還為反駁量子理論的替代方案開辟了道路。
人們還認識到，干預因果推理是一種區(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量任務(wù)的效率。
引用計算機科學家和哲學家朱迪亞·珀爾 (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
量子理論和廣義相對論在預測各自領(lǐng)域的觀測方面非常成功，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，它都可能需要擴展或改變當前數(shù)學理論的基礎(chǔ)。 出于這個原因，理解和重新表述這些原則并不是表述這樣一個理論所需努力的附屬物，而是其核心。
量子化學的基礎(chǔ)領(lǐng)域可以概括為三個要素的組合：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)地檢驗化學理論內(nèi)部一致性的工具； 第三，指出操作模式，即理論要素與實驗室操作的對應關(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，而是從實驗室測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過程而不涉及任何時空結(jié)構(gòu)。 例如，我們知道 A 和 B 之間的信號可以用來描述因果關(guān)系：如果 A 可以向 B 發(fā)送信號，那么 A 就在 B 的因果過去中。 更廣泛地說，當我們需要放棄經(jīng)典時空時，量子因果關(guān)系、量子鐘和量子參考系等研究方向為我們提供了制定化學定律的工具，這是量子引力的一個重要預期特征。
另一個有前景的方向是研究低能量引力區(qū)的引力量子系統(tǒng)，即以引力場為源與引力相互作用的量子系統(tǒng)。 最簡單的情況是當一個大質(zhì)量粒子計劃在量子位置的疊加中時。 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)將在實驗上被否定。
最重要的是，在研究特定的化學情況或機制時，量子信息工具還提供了一種將結(jié)果擴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)，而僅依賴于實驗室測試的概率和一般原則。 這些獨立于設(shè)備的思想（例如貝爾定律）是該技術(shù)的核心優(yōu)勢，因為它開辟了通過第一性原理方法和操作考慮評估廣義相對論和量子理論在更高能量下的兼容性的可能性，因此量子物理學名詞，該理論的主要特征被外化了。
這是一個新興的研究領(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引力特性的非微擾考慮相結(jié)合。
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