巴黎南郊,理論物理學的聖地CEA Saclay,有兩個理論物理學家,Barizien 和 Bancal,做了一件分量極重的事:他們首次完整刻畫了量子糾纏所能產生的全部統計結果。注意,不是部分,不是近似,不是實驗猜測,是“完全確定”。對物理學來說,這是把原本混沌模糊的概率叢林,徹底畫出了邊界線。
不是說以前沒人做,而是以前沒人做成。因為糾纏的東西,本質上就不是人類直覺能處理的。
兩個光子,不論相距多遠,哪怕一個在地球、一個在月球,只要是糾纏態,它們的測量結果就會表現出驚人的關聯性。這種“非局域性”是愛因斯坦當年最不願接受的部分,他稱之為“鬼魅般的遠距作用”。但它就這麼真實存在,甚至成了諾獎級別的物理標準動作。
關鍵在於:這種關聯,到底能有多強?又能有多複雜?
糾纏本身並不稀奇,糾纏態也不是非要最大化才有用。真正難的是:測量這個“糾纏之後”的統計規律,涉及的參數極多:糾纏強度、測量方向、投影方式,甚至背後的源頭機制。這些因素交織在一起,導致實驗結果呈現出各種奇異的統計相關性。光是兩比特的系統,能產生的可能性組合就已指數級爆炸。
以前的研究集中在最大糾纏態,因為它數學上對稱,分析起來相對“乾淨”。但大自然沒說它非得這麼乾淨。現實中用到的糾纏態,絕大多數都是部分糾纏態,或者說“不完美糾纏態”。這才是真正的挑戰所在。
Barizien 和 Bancal 硬是把這坨數學死結給拆了。
他們的關鍵突破點,是一種“從最大糾纏到部分糾纏”的數學變換。這種變換不僅美觀,居然還有清晰的物理意義:用已知的最大糾纏統計結構,映射出全部的部分糾纏統計結果。
這個過程的難度堪比從牛頓力學跳躍到量子場論。它不是一個加法或擬合,而是一種完全的重構。這種統計推導,直接涉及到量子信息理論里最魔性的一個概念:自測(self-testing)。
什麼意思?就是我們不依賴任何對實驗設備的信任,也不需要事先知道光源是啥,只通過測量結果的統計數據,就能反推出系統的真實狀態。換句話說,是把整個量子系統當作一個黑箱,僅靠輸出結果倒推它的結構和行為。
這和傳統物理的範式完全顛倒。以前我們講測量,一定得先建模、設定實驗、標定設備。現在反過來:先測,再推模型,模型還極可能是唯一的。這種“模型從數據中跳出來”的能力,在AI語境里叫“可解釋性”,在量子里,叫革命。
直到這篇Nature Physics的文章之前,只有最大糾纏態的自測結果是完整的。部分糾纏態沒人搞得定。
現在可以了。
所有兩比特部分糾纏態,都可以自測。所有能產生的統計相關性,都可以明確判斷是量子態的,還是根本不可能在量子理論下出現的。這也就是說,量子力學的統計邊界被畫清楚了。
有些統計結果,看上去很隨機,實際上能從中推匯出真隨機性認證。比如某些 Bell 實驗數據,如果滿足特定的非局域性,就意味著這套設備,無論硬體如何,都真的在產生量子隨機數。那種從測量結果中“證明真隨機”的手法,只有在這種完備統計理論下才靠譜。
安全的量子密碼系統,終於有了硬核級驗證方法。傳統的密碼系統依賴於硬體信任。你得信晶元沒被篡改,信程式沒後門。現在有了黑箱統計認證,就算廠商黑心、供應鏈可疑、程式師偷偷留了個 debug 口,只要測出來的數據達標,那你就知道這玩意確實在“用量子方式工作”。
而這套框架不僅適用於光子。電子、超導線路、離子阱……只要是糾纏態,就能扔進去測。相當於建立了一套通用的“糾纏態質量檢測儀”,還能適配不同平臺。
這是典型的物理“上層建築壓迫底層實驗”的反向操作。
別忘了,這些理論的物理基礎,仍然是 Bell 不等式——那條1950年代提出,卻在2022年才以諾貝爾獎形式被官方蓋章的最強不等式。經典世界下絕不可能成立的統計結果,量子世界里偏偏常見。人類只能承認:現實不是局域性的。
當然,Bell 測試是必要條件,不是充分條件。它能證明“非經典”,但無法完全描述“哪種非經典”。這就需要更細緻的統計分類、對應的物理模型、以及最終的反演推理。而這,正是 Barizien 和 Bancal 搞定的部分。
他們給出了一個完整的解碼字典:從“結果統計”到“系統狀態”。
這也是為什麼這項研究並非只為“認識自然”。它直接關聯量子通信、量子加密、量子計算,甚至和量子互聯網的“設備無關認證協定”深度挂鉤。
未來量子網路如果真的鋪開,節點和設備無法全部信任,唯一的方式就是測量輸出。而這套完整的統計圖譜,將是唯一能給出“信與不信”的判斷書。