光子盒子研究所出品
我们现在正处于量子化学第二个世纪的开始。 日前，《 》杂志邀请了四位研究人员（日本国立成功研究所院长Yeong-Liang、国际数学学会、苏黎世联邦理工学院格里菲斯学院的Eric）分享了他们新的研究方向思路和尝试回答旧问题量子理论基础的问题。
量子理论和广义相对论定义了 20 世纪的数学，并使我们明天使用的许多技术成为可能。 而且，使用量子理论总是比理解其基础领先几步：虽然已经取得了几年的进展，但仍有许多悬而未决的问题。
六年前，确定了两个主要挑战：量子检测问题（调和细胞进化和波函数坍缩，解释经典世界的出现）和寻找量子引力理论（如何调和广义相对论和量子理论）。 当时，还不清楚量子信息论能否帮助解决此类问题； 明天，我们仍然没有答案，但已经开辟了一些新的途径。
这个新方向表明，除了贝尔定律之外，还有很多东西有待探索； 除了基于信息的方法，还有其他理论工具可以帮助完成这些任务。
永良
日本国立成功学院院长
毋庸置疑量子物理学名词，对纠缠及其形成的令人不安的非经典相关性的研究导致了量子热基础的许多发展。 例如，通过检测处于纠缠态的单个子系统获得的相关性在理解 --Rosen (EPR) 悖论、贝尔定律和其他革命性发现方面发挥了重要作用。 据悉，其中一些发现也推动了量子技术领域的蓬勃发展。
在量子理论中，检测是由算子描述的。 但是，检测不必是本地的； 它们也可以是集体的，即操作员同时作用于两个或多个子系统。 当一个或多个这样的算子与一个（非标准化的）纠缠态相关联时，这种集体检测称为纠缠。 一个著名的例子是贝尔态检测 (BSM)，它可以区分四个相互正交、最大纠缠的双比特态：这在超密集编码和量子隐形传态等任务中至关重要。 以一种变相的方式，BSM 在普西定律的证明中也发挥了关键作用，主张对量子态进行本体论解释（这意味着量子态必须不仅仅是一个人对系统的知识状态）。
在将我们限制在所谓的投影检测（教科书量子热学中隐含的那种）的同时，纠缠检测也可以在其他基础上执行（例如，由非最大纠缠态产生的检测）。 这有什么用？ 我们现在有明确的证据表明，在涉及独立来源的广义贝尔实验中，一些优于 BSM 的纠缠检测在形成非规范相关性方面更加稳健。 纠缠检测在其他方面也具有相关性，例如改进对贝尔方程和量子计量学的违反。 它还提供了这些分析的实验证明。
我们花了几年或六年的时间试图了解各种情况下的纠缠，我相信为纠缠检测做同样的事情的时机已经成熟。 事实上，我们从最新的研究中知道，量子检测的本质还没有被完全理解。
埃里克
格里菲斯学院
在过去的两年中，一系列将贝尔定律与 1961 悖论的特征相结合的结果创造了关于知识和现实本质的全新视角和问题。
局部友好性 (Local, LF) 法则从严格弱于推导贝尔方程所需条件的前提得出对经验观察到的相关性（LF 方程）的约束（它不假设相关性必须与隐藏变量解释相关）。 因此，一个推论性的实验证明，违反 LF 方程（称为 LF 检验）将比违反贝尔方程（贝尔检验）更显着，这最终排除了所谓的“局部隐变量模型”。 违反LF意味着我们必须放弃弱模式的局域性，或者选择的自由，或者从根本上改变风暴的经典概念，否认观测到的风暴是绝对的，而不是相对于一个或多个观测，或，或相对到波函数的一个分支。
但是这样的推论证明也比任何贝尔实验都更具挑战性。 这是因为 LF 测试类似于思想实验，考虑了观察者可以被置于与不同观察相对应的可控量子叠加态的情况：由于复杂系统的快速环境退相干，这可能很困难。 原理验证 LF 测试早已得到证明，并且一直由单个量子比特扮演“观察者”的角色。 现在的问题是，如果可以使用越来越复杂的系统作为观察者，是否会建立相同的结果。 LF 定律意味着 LF 是假的； 或者根本不可能与真正的观察者一起违反等式。
然而，确定什么算作观察者/观察是一个根本性的难题。 然而，实验性 LF 测试协议不需要对这个问题给出明确的答案。 相反，当给定的数学系统扮演观察者的角色时，任何违反 LF 方程的行为都意味着 LF 是错误的，或者特定的系统或过程不能被视为观察者或观察。 因此，一系列越来越复杂的测试将提供越来越有意义的实验数据，从而限制检测问题的潜在解决方案。
这些实验方案与用于测试客观坍塌模型的实验方案截然不同并相互补充，后者的策略是实现越来越宏观的叠加。 对于低频实验，大小不是主要标准； 相反，它是用一个以观察者为特征的系统进行的实验，观察者在数量和质量上都越来越复杂。
低频测试程序可以像无错误的贝尔测试一样长期存在，涉及一系列渐进式改进，每一步都会带来新的挑战，并可能对量子热学的基本原理产生新的见解。 如果一个人工智能系统只能实现为大规模、快速的量子计算，那么可以设想一个终极测试。 这种最终的 LF 测试（甚至是未来的初始测试）可能不会产生标准量子理论预期的结果，这种可能性很小但不可忽略。
这将更深入地阐明观察者的本质。
国际化学会
多年来，由于“闭嘴估计”的心态，对量子热基础的研究一直被认为是不值得追求的。 但正是围绕量子随机性、不确定性是否不能被更基本的确定性机制所取代的研究，催生了量子信息领域。 第一个测试贝尔定律的实验明确地证明了量子热力学和局部隐变量理论是不可调和的，最初遭到了同时代人的怀疑。 然而，它们已被证明是理解纠缠的关键，对量子技术具有实际意义。
但贝尔定律也说明经典的因果关系概念不足以解释量子现象。 然而，遗憾的是，因果关系的物理理论直到最近才开始作为一个实用的框架：它今天被称为“量子因果关系”。
量子因果结构（编码风暴和变量之间的因果关系）的规模和复杂性不断减小，已被证明可以展示新的、更强大的非规范行为方式。 除了贝尔定律之外，这种新的因果结构允许放宽对局域性和选择自由的严格假设，并且还为反驳量子理论的替代方案开辟了道路。
人们还认识到，干预因果推理是一种区分因果关系和纯粹相关性的核心工具，可以提高我们测量和探索量子系统非规范特性的能力。 最后，我们可以考虑因果顺序的叠加——一种既不是“X 在 Y 的过去”也不是相反的情况，一种新的量子资源可以提高通信和计量任务的效率。
引用计算机科学家和哲学家朱迪亚·珀尔 (Judea Pearl) 的话，“您无法回答您难以提出的问题，也无法提出您无话可说的问题。” 在过去的六年中，因果关系理论已被证明是一种强大的陈述工具和解决量子热基础中各种问题所需的语言。
慕尼黑联邦技术大学
量子理论和广义相对论在预测各自领域的观测方面非常成功，但在概念基础上却明显不相容。 无论量子引力理论如何将两者结合在一起，它都可能需要扩展或改变当前数学理论的基础。 出于这个原因，理解和重新表述这些原则并不是表述这样一个理论所需努力的附属物，而是其核心。
量子化学的基础领域可以概括为三个要素的组合：第一，研究第一性原理与物理结构之间的联系； 第二，开发系统地检验化学理论内部一致性的工具； 第三，指出操作模式，即理论要素与实验室操作的对应关系。 这些方法提出了一种新的基于信息的方法来结合引力和量子理论，该方法不依赖于特定的理论陈述，而是从实验室测试的第一原理和概率中得出结果。
这些模式已被用于制定化学过程而不涉及任何时空结构。 例如，我们知道 A 和 B 之间的信号可以用来描述因果关系：如果 A 可以向 B 发送信号，那么 A 就在 B 的因果过去中。 更广泛地说，当我们需要放弃经典时空时，量子因果关系、量子钟和量子参考系等研究方向为我们提供了制定化学定律的工具，这是量子引力的一个重要预期特征。
另一个有前景的方向是研究低能量引力区的引力量子系统，即以引力场为源与引力相互作用的量子系统。 最简单的情况是当一个大质量粒子计划在量子位置的叠加中时。 这些低能量方法与传统的高能量子引力方法有许多概念上的问题，并且在未来几年或六年内将在实验上被否定。
最重要的是，在研究特定的化学情况或机制时，量子信息工具还提供了一种将结果扩展到所考虑的特定情况之外的方法。 原因是信息论不依赖于特定系统，而仅依赖于实验室测试的概率和一般原则。 这些独立于设备的思想（例如贝尔定律）是该技术的核心优势，因为它开辟了通过第一性原理方法和操作考虑评估广义相对论和量子理论在更高能量下的兼容性的可能性，因此量子物理学名词，该理论的主要特征被外化了。
这是一个新兴的研究领域。 今天重要的是充分探索这些基于信息的方法的影响和范围，以及如何将它们与对引力特性的非微扰考虑相结合。
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