巴黎南郊,理论物理学的圣地CEA Saclay,有两个理论物理学家,Barizien 和 Bancal,做了一件分量极重的事:他们首次完整刻画了量子纠缠所能产生的全部统计结果。注意,不是部分,不是近似,不是实验猜测,是“完全确定”。对物理学来说,这是把原本混沌模糊的概率丛林,彻底画出了边界线。

不是说以前没人做,而是以前没人做成。因为纠缠的东西,本质上就不是人类直觉能处理的。
两个光子,不论相距多远,哪怕一个在地球、一个在月球,只要是纠缠态,它们的测量结果就会表现出惊人的关联性。这种“非局域性”是爱因斯坦当年最不愿接受的部分,他称之为“鬼魅般的远距作用”。但它就这么真实存在,甚至成了诺奖级别的物理标准动作。
关键在于:这种关联,到底能有多强?又能有多复杂?
纠缠本身并不稀奇,纠缠态也不是非要最大化才有用。真正难的是:测量这个“纠缠之后”的统计规律,涉及的参数极多:纠缠强度、测量方向、投影方式,甚至背后的源头机制。这些因素交织在一起,导致实验结果呈现出各种奇异的统计相关性。光是两比特的系统,能产生的可能性组合就已指数级爆炸。

以前的研究集中在最大纠缠态,因为它数学上对称,分析起来相对“干净”。但大自然没说它非得这么干净。现实中用到的纠缠态,绝大多数都是部分纠缠态,或者说“不完美纠缠态”。这才是真正的挑战所在。
Barizien 和 Bancal 硬是把这坨数学死结给拆了。
他们的关键突破点,是一种“从最大纠缠到部分纠缠”的数学变换。这种变换不仅美观,居然还有清晰的物理意义:用已知的最大纠缠统计结构,映射出全部的部分纠缠统计结果。
这个过程的难度堪比从牛顿力学跳跃到量子场论。它不是一个加法或拟合,而是一种完全的重构。这种统计推导,直接涉及到量子信息理论里最魔性的一个概念:自测(self-testing)。
什么意思?就是我们不依赖任何对实验设备的信任,也不需要事先知道光源是啥,只通过测量结果的统计数据,就能反推出系统的真实状态。换句话说,是把整个量子系统当作一个黑箱,仅靠输出结果倒推它的结构和行为。
这和传统物理的范式完全颠倒。以前我们讲测量,一定得先建模、设定实验、标定设备。现在反过来:先测,再推模型,模型还极可能是唯一的。这种“模型从数据中跳出来”的能力,在AI语境里叫“可解释性”,在量子里,叫革命。
直到这篇Nature Physics的文章之前,只有最大纠缠态的自测结果是完整的。部分纠缠态没人搞得定。
现在可以了。
所有两比特部分纠缠态,都可以自测。所有能产生的统计相关性,都可以明确判断是量子态的,还是根本不可能在量子理论下出现的。这也就是说,量子力学的统计边界被画清楚了。
有些统计结果,看上去很随机,实际上能从中推导出真随机性认证。比如某些 Bell 实验数据,如果满足特定的非局域性,就意味着这套设备,无论硬件如何,都真的在产生量子随机数。那种从测量结果中“证明真随机”的手法,只有在这种完备统计理论下才靠谱。
安全的量子密码系统,终于有了硬核级验证方法。传统的密码系统依赖于硬件信任。你得信芯片没被篡改,信程序没后门。现在有了黑箱统计认证,就算厂商黑心、供应链可疑、程序员偷偷留了个 debug 口,只要测出来的数据达标,那你就知道这玩意确实在“用量子方式工作”。
而这套框架不仅适用于光子。电子、超导线路、离子阱……只要是纠缠态,就能扔进去测。相当于建立了一套通用的“纠缠态质量检测仪”,还能适配不同平台。
这是典型的物理“上层建筑压迫底层实验”的反向操作。
别忘了,这些理论的物理基础,仍然是 Bell 不等式——那条1950年代提出,却在2022年才以诺贝尔奖形式被官方盖章的最强不等式。经典世界下绝不可能成立的统计结果,量子世界里偏偏常见。人类只能承认:现实不是局域性的。
当然,Bell 测试是必要条件,不是充分条件。它能证明“非经典”,但无法完全描述“哪种非经典”。这就需要更细致的统计分类、对应的物理模型、以及最终的反演推理。而这,正是 Barizien 和 Bancal 搞定的部分。
他们给出了一个完整的解码字典:从“结果统计”到“系统状态”。
这也是为什么这项研究并非只为“认识自然”。它直接关联量子通信、量子加密、量子计算,甚至和量子互联网的“设备无关认证协议”深度挂钩。
未来量子网络如果真的铺开,节点和设备无法全部信任,唯一的方式就是测量输出。而这套完整的统计图谱,将是唯一能给出“信与不信”的判断书。