微觀世界的物理學包含了兩個眾所周知的奇怪概念。第一個概念是，在觀察之前，不可能確切地知道對一個粒子的測量結果。相反，該粒子存在於一個由許多相互排斥的狀態組成的“疊加”中。因此，一個粒子可以同時出現在兩個或更多的地方，而人們能做的只有在觀察時計算出在某一位置發現它的概率。第二種則涉及“糾纏”，這種幽靈般的聯繫可以將兩個物體結合起來，無論它們在物理上相隔多遠。量子理論從數學上描述了疊加和糾纏。

但許多物理學家認為，現實的終極理論可能在量子理論之外。現在，一個由物理學家和數學家組成的團隊在這兩個奇怪的屬性之間發現了一種新的聯繫，它並不假設量子理論是正確的。他們的研究報告已發表在《Physical Review Letters》上。

物理學智囊團基礎問題研究所(FQXi)成員、德國烏爾姆大學物理學家Ludovico Lami說道：“我們真的很高興找到這種超越量子理論的新聯繫，因為這種聯繫甚至對尚未發現的更多奇異理論也將有效。”另外，他補充稱：“這也非常重要，因為它獨立於量子理論的數學形式主義，只使用具有直接操作解釋的概念。”Lami跟法國里昂第一大學的Guillaume Aubrun、西班牙馬德里康普頓斯大學的Carlos Palazuelos和德國錫根大學的Martin Plával共同撰寫了這項研究。

雖然量子理論自一個世紀前發展以來已被證明是極其成功的，但物理學家們一直在努力將其跟引力統一起來以創建一個總體的“萬物理論”。這表明，量子理論可能不是描述現實的最後一句話，激勵著物理學家們去尋找一個更基本的框架。但任何這樣的終極理論仍必須包含疊加、糾纏和現實的概率性質，因為這些特徵已經在實驗室測試中被一再證實。Lami指出，對這些實驗的解釋並不取決於量子理論是否正確。

量子密碼學

量子糾纏在量子計算機的設計中起著關鍵作用–這種機器在某些任務上可以超過標準計算機，並且在量子加密協議中也起著關鍵作用，這些協議已經在使用並利用量子規則在理論上對黑客免疫的通道上提供超安全的通信。但如果未來量子理論最終需要被另一種更基本的理論所取代，我們是否會發現這些規則並不真正有效或這些加密協議並不像承諾的那樣安全？

問題是，要想發現這一點，你需要從一些一般的–尚不清楚的–理論來分析疊加和糾纏，而不使用量子理論的數學知識。對此，Lami和他的同事們通過研究“一般概率理論”而非量子理論來解決這個難題。這項研究得到了Lami和其他人從基礎問題研究所(FQXi)獲得的部分資助以研究廣義概率理論中智能的特點和局限性，這使他們能研究在抽象的經典、量子和“超越量子”系統中如何處理信息。

在發表在《Physical Review Letters》上的這篇新論文中，該團隊表明，兩個物理理論在結合時表現出糾纏–當且僅當它們都表現出局部疊加。這意味著糾纏和疊加在任何物理理論中都是等同的，而不僅僅是在量子理論中。他們還計算出，在這種等價關係成立的系統中–無論是量子還是超量子–該理論的規律可以被用來進行超安全的加密。特別是，研究小組表明，某種流行的量子加密協議，即所謂的“BB84”將永遠有效–即使有一天發現量子理論並不完全正確並需要用更基本的理論來取代。

“知道密碼學確實是所有非經典理論的一個特徵，而不僅僅是一個量子怪圈，這在某種程度上是令人欣慰的，因為我們中的許多人相信自然界的最終理論將可能是非經典的。即使有一天我們發現量子理論是不正確的，我們仍會知道秘密密鑰分配原則上是可以工作的，”Lami說道。