l我们来玩个游戏吧。你得到一个有两个隔间和一个球的盒子。球可以以相等的概率出现在任意一个格子里，我的任务就是猜出哪个格子。好吧，这不是最激动人心的比赛，但至少它是公平的。我的胜算是一半对一半。
但假设我知道你的盒子是在一家工厂生产的，在那里，传送带把盒子送到大炮那里，大炮会根据抛硬币的结果把球射进一个或另一个隔间。每天抛一次硬币，同一天生产的所有盒子都把球放在同一个隔间里。如果我能拿到和你同一天生产的盒子，我就肯定能赢。公平到此为止。
我们得到的教训很清楚:我们的游戏是否公平取决于你的禁区内的球是否与我所控制的其他系统相关联。为了确保我不作弊，你得收钱所有与你的盒子相关的系统，并让它们在你的控制之下。但是，你怎么能自信地认为你已经收集了所有这些信息呢?最有力的保证是，你的系统处于物理学家所说的“纯状态”，这意味着没有其他东西可以与它相关联，你对你的系统有最大限度的了解。另一方面，“混合状态”只提供部分知识，一些基本信息可能隐藏在其他地方。
就这样，我们有了量子力学的核心思想，叫做净化原理。它指出，如果考虑到足够多的系统，总是有可能找到一个描述级别，其中所有系统都处于纯状态。净化原则是一个筛子，将那些可以追求基本地位的物理理论与那些仅仅有效的物理理论区分开来。毕竟，基本的自然理论应该以一种自给自足的方式描述现象，做出的预测不会因为隐藏在别处的信息的存在而改变。
量子力学是唯一的标准理论，可以满足净化，同时允许在自然界的可能性的想法。
根据这个定义，牛顿力学是基本的。它以一种微不足道的方式满足净化。交易理论只有对于纯状态，它由感兴趣的粒子的位置和速度指定。另一方面，经典统计力学(热力学的基础)违反了净化原理。它不指定所有粒子的位置和速度，而只是给它们分配一个概率分布。无论我们在描述中包含多少粒子，我们都不能排除它们与其他系统相关的可能性。从原则上讲，这为某些中介利用隐藏的相关性打开了大门。这正是著名的思想实验所发生的，比如麦克斯韦妖和西拉德的引擎，本质上是我们的球室游戏的两个复杂版本。
那量子力学呢?它不仅是一个基础理论，而且是只有能够满足净化的标准理论，同时考虑到自然界的可能性。这是毛罗·达里亚诺(Mauro D’ariano)、保罗·佩里诺蒂(Paolo Perinotti)和我在2011年发表的一篇论文的核心结论，它把我们带到了一个分叉:要么每一件事的结果都是预先确定的，要么量子理论一定是对自然世界的正确描述。1换句话说，只有在量子世界里，随机性的概念——也就是信息——才能在物理的基本定律中发挥作用。因为如果每一个事件都是预先确定的，那么所有实验的结果就应该独立于任何主体所拥有的信息。
净化原则导致了一些惊人的结果。想象一种机制，它以一种依赖于随机事件结果的方式准备系统。由于事件是随机的，并且依赖于我们不知道的信息，系统将会是一个混合状态。净化原理保证了我们能找到足够数量的，处于纯态的系统。这导致了经典世界中没有类似情况的情况:我们可以拥有关于复合系统的最大知识，但仍然对其部分一无所知。欧文Schrödinger将其命名为“纠缠”，并写了一句著名的话:“我不这么认为。一个而是的这是量子力学的典型特征，它迫使量子力学完全偏离了经典的思维方式。”
纠缠有许多潜在的应用。例如，它保证了某些相关性是内在的私人．假设系统A处于混合状态，而复合系统AB处于纯状态。由于AB的纯度，它的状态必须与世界其他地方无关。这种特性被称为纠缠的一夫一妻制，是许多量子密码协议的根源，例如阿图尔·埃克特1991年的密钥分发协议。其想法很简单:分别持有系统A和系统B的两个远方方可以生成相关的随机比特位，随后可以将其用作加密消息的密钥。纠缠的一夫一妻制保证了没有第三方可以与他们的随机比特相关联并解密消息。
物理学家可以从量子信息论中得到鼓舞。当量子力学最初被表述出来的时候，物理学似乎失去了一些东西。对古典物理学家来说，这就像是伽利略和牛顿美丽的发条宇宙被一团不确定的云团所笼罩。但量子信息是一个令人欣喜的发现，量子力学不仅是一个极限理论，也是一个新机遇的理论，比如安全的量子密码学和超高速量子计算机。从这个角度来看，量子理论不再像“少了一些东西的物理”，而是像“多了一些东西的信息理论”。我们相信，净化原则提供了“更多的东西”，它让我们以伽利略和牛顿的经典世界所无法想象的方式驾驭随机性。
朱利奥·奇里贝拉(Giulio Chiribella)是中国北京清华大学的教授。他的研究重点是量子信息论、量子基础和数学物理。
参考
1.量子理论的信息推导。物理评论一个84012311(2011)。
