Introduktion
Denne måned, tre videnskabsmænd vandt Nobelprisen i fysik for deres arbejde, der beviser en af de mest kontraintuitive, men dog konsekvente virkeligheder i kvanteverdenen. De viste, at to sammenfiltrede kvantepartikler må betragtes som et enkelt system - deres tilstande er ubønhørligt sammenflettet med hinanden - selv om partiklerne er adskilt af store afstande. I praksis betyder dette fænomen "ikke-lokalitet", at det system, du har foran dig, øjeblikkeligt kan blive påvirket af noget, der er tusindvis af kilometer væk.
Sammenfiltring og ikke-lokalitet gør det muligt for dataloger at skabe koder, der ikke kan knækkes. I en teknik kendt som enhedsuafhængig kvantenøglefordeling bliver et par partikler viklet ind og derefter fordelt til to personer. Partiklernes fælles egenskaber kan nu tjene som en kode, en der vil holde kommunikation sikker selv fra kvantecomputere - maskiner, der er i stand til at bryde igennem klassiske krypteringsteknikker.
Men hvorfor stoppe ved to partikler? I teorien er der ingen øvre grænse for, hvor mange partikler der kan dele en sammenfiltret tilstand. I årtier har teoretiske fysikere forestillet sig tre-vejs, fire-vejs, endda 100-vejs kvanteforbindelser - den slags ting, der ville tillade et fuldt distribueret kvantebeskyttet internet. Nu har et laboratorium i Kina opnået, hvad der ser ud til at være ikke-lokal sammenfiltring mellem tre partikler på én gang, hvilket potentielt øger styrken af kvantekryptografi og mulighederne for kvantenetværk generelt.
"Topartiers ikke-lokalitet er skørt nok, som det er," sagde Peter Bierhorst, en kvanteinformationsteoretiker ved University of New Orleans. "Men det viser sig, at kvantemekanik kan gøre ting, der endda går ud over det, når du har tre parter."
Fysikere har viklet mere end to partikler ind før. Rekorden er et sted imellem 14 partikler , 15 billioner, alt efter hvem du spørger. Men disse var kun på tværs af korte afstande, højst kun få centimeter fra hinanden. For at gøre sammenfiltring af flere parter nyttigt til kryptografi, skal videnskabsmænd gå ud over simpel sammenfiltring og demonstrere ikke-lokalitet - "en høj bar at opnå," sagde Elie Wolfe, en kvanteteoretiker ved Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada.
Nøglen til at bevise ikke-lokalitet er at teste, om egenskaberne af den ene partikel stemmer overens med egenskaberne for den anden - kendetegnende for sammenfiltring - når de er langt nok fra hinanden, til at intet andet kan forårsage virkningerne. For eksempel kan en partikel, der stadig er fysisk tæt på sin sammenfiltrede tvilling, udsende stråling, der påvirker den anden. Men hvis de er en kilometer fra hinanden og målt praktisk talt øjeblikkeligt, så er de sandsynligvis kun forbundet med sammenfiltring. Eksperimentatorerne bruger et sæt ligninger kaldet Bell uligheder at udelukke alle andre forklaringer på partiklernes forbundne egenskaber.
Med tre partikler er processen med at bevise ikke-lokalitet ens, men der er flere muligheder for at udelukke. Dette balloner kompleksiteten af både målingerne og de matematiske ringer, som forskerne skal springe igennem for at bevise det ikke-lokale forhold mellem de tre partikler. "Du skal finde på en kreativ måde at gribe det an på," sagde Bierhorst - og have teknologien til at skabe de helt rigtige forhold i laboratoriet.
I resultater offentliggjort i august tog et hold i Hefei, Kina, et afgørende spring fremad. For det første ved at skyde lasere gennem en speciel type krystal, de viklet tre fotoner og placerede dem i forskellige områder af forskningsanlægget, hundreder af meter fra hinanden. Derefter målte de samtidig en tilfældig egenskab for hver foton. Forskerne analyserede målingerne og fandt ud af, at forholdet mellem de tre partikler bedst kunne forklares med tre-vejs kvante-ikke-lokalitet. Det var den mest omfattende demonstration af tre-vejs ikke-lokalitet til dato.
Teknisk set er der stadig en lille chance for, at noget andet forårsagede resultaterne. "Vi har stadig nogle åbne smuthuller," sagde Xuemei Gu, en af hovedforfatterne af undersøgelsen. Men ved at adskille partiklerne var de i stand til at udelukke den mest grelle alternative forklaring på deres data: fysisk nærhed.
Forfatterne baserede også deres eksperiment på en ny, strengere definition af tre-vejs ikke-lokalitet, der har vundet indpas i de seneste par år. Mens tidligere eksperimenter gav mulighed for samarbejde mellem de enheder, der målte fotonerne, kunne Gus tre enheder ikke kommunikere. I stedet foretog de tilfældige målinger af partiklerne - en begrænsning, der ville være nyttig i kryptografiske scenarier, hvor enhver kommunikation kan blive kompromitteret, sagde Renato Renner, en kvantefysiker ved Swiss Federal Institute of Technology Zürich. (Ved brug af det ældre paradigme, et canadisk hold demonstreret tre-vejs ikke-lokalitet på afstand i 2014.)
Nu hvor forskere, der følger den nye definition, med succes har viklet partikler så langt fra hinanden, kan de fokusere på at udvide afstanden endnu mere.
"Det er et vigtigt springbræt i retning af at udføre eksperimenter på længere afstande, i større skala," sagde Saikat Guha, en kvanteinformationsteoretiker ved University of Arizona.
Mest direkte kan denne teknologi drive mere ekspansiv kvantenøgledistribution, sagde Renner. Hvis du bruger sammenfiltrede partikler som nøglen til kryptering, kan de samme Bell-uligheder, som fysikere bruger til at teste for ikke-lokalitet, sikre, at din hemmelighed er fuldstændig sikker. Så selvom den enhed, du bruger til at sende eller modtage en besked, bliver ondsindet manipuleret af din værste fjende, vil de ikke være i stand til at bestemme din kvantenøgle. Disse hemmeligheder forbliver mellem dig og den, der har den anden indviklede partikel.
Introduktion
Kvantenøglefordeling er "det, folk er begejstrede for," sagde Renner. Sidste år, tre separate grupper demonstrerede protokollen i laboratoriet, dog stadig i lille skala. Det er derfor, tre-vejs ikke-lokalitet vil være så vigtigt. "Du har i princippet meget mere kryptografisk kraft," fordi disse tre-vejs forbindelser ikke kan simuleres ved at samle et par to-vejs links.
"Det er et fundamentalt nyt niveau af fænomener," sagde Bierhorst, en der kunne udvide enhedsuafhængig kryptografi fra grundlæggende tovejskommunikation til et helt netværk af hemmelige delere.
Udover kryptografi åbner flerpartssammenfiltring også muligheder for andre typer kvantenetværk. Forskere som Guha arbejder på en kvanteinternet, som kunne forbinde kvantecomputere på samme måde som det almindelige internet forbinder almindelige enheder. Dette system ville samle regnekraften fra mange kvanteenheder ved at forbinde millioner af partikler med forskellige niveauer af sammenfiltring over forskellige afstande. Vi har alle de individuelle byggeklodser til et sådant system, sagde Guha, men at samle det "er en enorm, enorm ingeniørudfordring." Med dette mål for øje har videnskabsmænd i Holland lykkedes i at vikle tre partikler ind i et netværk, der spænder over to separate laboratorier - selvom de i modsætning til Gus team ikke var fokuseret på at demonstrere ikke-lokalitet.
Dette arbejde med tre-vejs sammenfiltring startede som "bare et interessant fænomen," sagde Bierhorst. Men "når du har noget, som kvantemekanikken kan gøre, som det er umuligt at gøre på anden vis, vil det åbne op for alle mulige nye teknologiske muligheder, som kan udnyttes på uforudsete måder."
Indtil videre har nogle få laboratorier vist fire-vejs ikke-lokalitet mellem partikler, der er meget tæt på hinanden. "Disse eksperimenter er ret spekulative på dette tidspunkt. Man skal lave en masse antagelser,” sagde Bierhorst.
Trevejseksperimenterne er stadig også afhængige af nogle antagelser. Nobelprismodtagerne brugte et halvt århundrede på at udelukke disse smuthuller i deres tovejseksperimenter, og det lykkedes endelig i 2017. Men vi er nået langt siden da teknologisk, sagde Renner.
"Det, der [tog] årtier før, vil nu ske om et år eller deromkring," sagde han.
