现在，我们正处于量子物理学的第二个世纪之初。近日，《自然评论物理学》期刊特邀四位研究人员(台湾国立成功大学教授Yeong-Cherng Liang、格里菲斯大学Eric Cavalcanti、国际物理学会Rafael Chaves、苏黎世联邦理工学院Flaminia Giacomini)分享了他们对新的研究方向的看法，并试图回答量子理论基础中的老问题。
量子理论与广义相对论一起，定义了二十世纪的物理学，并使我们今天使用的许多技术成为可能。但是，使用量子理论总是比理解它的基础领先几步：尽管已经有了几十年的进展，但仍有许多开放性问题。
十年前，人们发现了两个主要挑战：量子测量问题（调和单元演化与波函数坍缩，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与量子理论）。当时，还不清楚量子信息理论是否能帮助解决这些问题；今天，我们仍然没有答案，但一些新的路径已经开启。
这些新的方向表明，在贝尔定理之外还有很多可以探索的东西；它们与基于信息的方法一起，还有其他理论工具可以帮助这些探索。
毋庸置疑，对纠缠及其产生的令人困惑的非经典关联的研究导致了量子力学基础的许多发展。例如，通过测量纠缠状态下的各个子系统所获得的相关性，在理解爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)悖论、贝尔定理以及随后的其他革命性发现中发挥了重要作用。此外，这些发现中的一些还促进了量子技术领域的蓬勃发展。
在量子理论中，测量是由算子描述的。然而，测量不一定是局部的；它们也可以是集体的，也就是说，算子同时作用于两个或更多的子系统。当这些算子中的一个或多个与一个（未归一化的）纠缠态相关时，这样的集体测量就被称为纠缠。一个著名的例子是贝尔态测量（BSM），它允许人们区分四个相互正交的、最大纠缠的双比特状态：这在超密集编码和量子隐形传态等任务中至关重要。以一种变相的形式，BSM也在Pusey-Barrett-Rudolph定理的证明中发挥了关键作用，论证了量子态的本体解释（意味着量子态必须不仅仅是一个人对系统的知识状态）。
即使把我们自己限制在所谓的投射测量上（这些是教科书中量子力学隐含的测量），纠缠测量也可以在其他基础上进行（比如，由非最大纠缠状态形成的测量）。这有什么用呢？我们现在有明确的证据表明，在涉及独立源的广义贝尔实验中，一些超越BSM的纠缠测量在产生非经典相关性方面更为强大。纠缠测量在其他方面也是相关的，如提升贝尔不等式的违反和量子计量学。它也提供了这种测量的实验证明。
我们已经花了几十年的时间来理解各种情况下的纠缠，相信现在对纠缠测量做同样事情的时机已经成熟了。毕竟，我们从最新研究中了解到，量子测量的本质并没有被完全理解。
在过去的五年里，一系列将贝尔定理与Eugene Wigner的1961年悖论的特征相结合的结果，导致了对知识和现实的本质的全新见解和问题。
局部友好性(Local Friendliness, LF)定理从严格弱于推导贝尔不等式所需的前提中推导出对经验观察到的相关关系的约束（LF不等式）（它并不假定相关关系必须可以由经典相关的隐藏变量解释）。因此，一个结论性的实验证明对LF不等式的违反（称之为LF测试）将比对贝尔不等式的违反（贝尔测试）具有更强的意义，它最终排除了所谓的 “局部隐变量模型”。违反LF意味着，我们必须放弃弱形式的局部性，或者选择的自由，或者从根本上修改事件的经典概念，拒绝观察到的事件是绝对的，而不是相对于一个或多个观察者、或者相对于波函数的一个分支。
然而，这样一个结论性的证明，也将比任何贝尔试验更具挑战性。这是因为LF测试，类似于Wigner的思想实验，考虑的情况是观察者可以被置于对应于不同观察的可控量子叠加状态中：由于复杂系统的快速环境退相干，这可能是非常困难的。原理证明的LF测试已经被证明了，但是仍然是由单个量子比特扮演“观察者”的角色。现在的问题是，如果越来越复杂的系统可以被用作观察者，同样的结果是否会成立。LF定理意味着LF是假的；或者从根本上说，用真正的观察者违反不等式是不可能的。
但是确定什么算作观察者/观察是一个根本性的难题。然而，一个实验性的LF测试方案并不要求对这个问题有一个明确的答案。相反，在一个给定的物理系统扮演观察者的角色时，对LF不等式的任何违反都意味着LF是假的，或者特定的系统或过程不能被认为是观察者或观测。因此，一连串越来越复杂的测试将提供越来越有意义的实验数据，约束测量问题的潜在解决方案。
这种实验方案与测试客观崩溃模型的方案不同，也是对后者的补充，后者的策略是实现越来越宏观的叠加。对于低频试验，规模不是主要标准；相反，它是用具有观察者特征的系统进行试验，这些观察者在数量和质量上都越来越复杂。
低频测试计划可能会像无漏洞的贝尔测试一样长期存在，涉及一系列的逐步改进，每一步都会带来新的挑战和对量子力学基础的潜在新见解。如果一个人工通用智能系统能够被实现为一个大规模的、快速的量子计算，那么就可以设想一个终极测试。有一个小、但不可忽视的可能性，就是这样一个最终的LF测试（甚至是沿着这条道路的早期测试）将不会得到标准量子理论所预期的结果。
长期以来，由于“闭嘴计算”的态度，对量子力学基础的研究被认为是不值得追求的。然而，正是围绕着量子随机性、不确定性是否不能被更基本的决定性机制所取代而进行的调查，导致了量子信息领域的出现。第一批测试贝尔定理的实验，毫不含糊地证明了量子力学与局部隐变量理论是不可调和的，最初受到了同时代人的怀疑。然而，它们被证明是理解纠缠的关键，对量子技术有实际意义。
但贝尔定理也是一个经典的因果概念不足以解释量子现象的声明。然而，令人惊讶的是，直到最近，因果关系的数学理论才开始作为一个实际的框架：它在现在被称为“量子因果关系(Quantum causality)”。
量子因果结构（编码事件和变量之间因果关系）的规模和复杂性不断增加，已被证明显示出新的、更强大的非经典行为形式。在贝尔定理之外，这些新的因果结构允许放宽对定域性和选择自由的严格假设，也为驳斥量子理论的替代方案开辟了道路。
人们还意识到，干预-因果推理的核心工具，允许区分因果关系和单纯的相关关系可以提高我们检测和探索量子系统非经典特征的能力。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”也不是反过来的情况，一种新的量子资源能够提高通信和计量任务的效率。
引用计算机科学家和哲学家Judea Pearl的话，“你无法回答一个你无法提出的问题，你也无法提出一个你无话可说的问题。”在过去十年中，因果关系理论被证明是陈述和解决量子力学基础中各种问题所需要的语言。
量子理论和广义相对论在预测各自领域的观测结果方面非常成功，但在概念基础上却有着惊人的不兼容。无论量子引力理论如何将两者结合在一起，它都很可能需要扩展或修改当前物理理论的基本原理。因此，了解和重新制定这些原则并不是制定这样一个理论所需努力的附属品，而是其核心所在。
量子物理学的基础领域大致上可以用三个要素的组合来描述：第一，研究第一原理和数学结构之间的联系；第二，开发工具来系统地测试物理理论的内部一致性；第三，强调操作方法，意为理论要素和实验室操作之间的对应关系。这种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，它不依赖于理论的具体表述，而是从第一原理和在实验室测量的概率中得出结果。
这种方法已被用于制定物理过程，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发出信号，那么A就处于B的因果过去。更广泛地说，诸如量子因果性、量子钟和量子参照系等研究方向为我们提供了在需要放弃经典时空时制定物理规律的工具，这在量子引力中是一个很大的预期特征。
另一个有希望的方向是在引力的低能制度下，对引力量子系统进行研究，即以引力场为源的量子系统和引力相互作用。最简单的例子是当一个大质量粒子在量子位置的叠加中被准备好时。这种低能方法与传统的高能量子引力方法有许多共同的概念性问题，并将在未来几十年内被实验证实。
最重要的是，即使在研究特定的物理情景或制度时，量子信息工具也提供了一种方法，可以将结果扩展到所考虑的特定情况之外。原因是信息理论并不与特定的制度相联系，而只是依赖于实验室中测量的概率和一般原则。这种独立于设备的思维（例如贝尔定理）是该方法的核心优势，因为它为评估广义相对论和量子理论在更高能量下的兼容性提供了可能性，通过第一原理的方法和操作考虑，从而将理论的主要特性外化。
这是一个新兴的研究领域。现在重要的是充分探索这种基于信息的方法的影响和范围，以及如何将其与关于引力性质的非微扰性考虑相结合。
https://www.nature.com/articles/s42254-023-00586-z
