Εισαγωγή
Αυτο το μηνα, τρεις επιστήμονες κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής για το έργο τους που αποδεικνύει μια από τις πιο αντιφατικές αλλά συνεπακόλουθες πραγματικότητες του κβαντικού κόσμου. Έδειξαν ότι δύο μπερδεμένα κβαντικά σωματίδια πρέπει να θεωρούνται ένα ενιαίο σύστημα - οι καταστάσεις τους αναπόσπαστα συνυφασμένες μεταξύ τους - ακόμα κι αν τα σωματίδια χωρίζονται από μεγάλες αποστάσεις. Στην πράξη, αυτό το φαινόμενο της «μη τοπικότητας» σημαίνει ότι το σύστημα που έχετε μπροστά σας μπορεί να επηρεαστεί στιγμιαία από κάτι που βρίσκεται χιλιάδες μίλια μακριά.
Η διαπλοκή και η μη τοπικότητα επιτρέπουν στους επιστήμονες υπολογιστών να δημιουργούν κώδικες που δεν μπορούν να παραβιαστούν. Σε μια τεχνική γνωστή ως ανεξάρτητη από τη συσκευή διανομή κβαντικού κλειδιού, ένα ζεύγος σωματιδίων μπλέκεται και στη συνέχεια διανέμεται σε δύο άτομα. Οι κοινές ιδιότητες των σωματιδίων μπορούν τώρα να χρησιμεύσουν ως κώδικας, ένας κώδικας που θα κρατά τις επικοινωνίες ασφαλείς ακόμη και από κβαντικούς υπολογιστές - μηχανές ικανές να διαπεράσουν τις κλασσικές τεχνικές κρυπτογράφησης.
Γιατί όμως να σταματήσουμε σε δύο σωματίδια; Θεωρητικά, δεν υπάρχει ανώτατο όριο για το πόσα σωματίδια μπορούν να μοιράζονται μια μπερδεμένη κατάσταση. Για δεκαετίες, οι θεωρητικοί φυσικοί φαντάζονταν κβαντικές συνδέσεις τριών, τεσσάρων κατευθύνσεων, ακόμη και 100 κατευθύνσεων - κάτι που θα επέτρεπε ένα πλήρως κατανεμημένο κβαντικά προστατευμένο Διαδίκτυο. Τώρα, ένα εργαστήριο στην Κίνα έχει επιτύχει αυτό που φαίνεται να είναι μη τοπική εμπλοκή μεταξύ τριών σωματιδίων ταυτόχρονα, ενισχύοντας δυνητικά τη δύναμη της κβαντικής κρυπτογραφίας και τις δυνατότητες για κβαντικά δίκτυα γενικά.
"Η μη τοπικότητα των δύο μερών είναι αρκετά τρελή όπως είναι", είπε Peter Bierhorst, θεωρητικός της κβαντικής πληροφορίας στο Πανεπιστήμιο της Νέας Ορλεάνης. "Αλλά αποδεικνύεται ότι η κβαντική μηχανική μπορεί να κάνει πράγματα που ξεπερνούν ακόμη και αυτό όταν έχετε τρία μέρη."
Οι φυσικοί έχουν μπλέξει περισσότερα από δύο σωματίδια στο παρελθόν. Ο δίσκος είναι κάπου ανάμεσα 14 σωματίδια και 15 τρισεκατομμύρια, ανάλογα ποιον ρωτάς. Αλλά αυτά βρίσκονταν μόνο σε μικρές αποστάσεις, το πολύ μόλις ίντσες μεταξύ τους. Για να καταστήσουν τη διαπλοκή πολλαπλών μερών χρήσιμη για την κρυπτογραφία, οι επιστήμονες πρέπει να υπερβούν την απλή εμπλοκή και να επιδείξουν μη τοπικότητα — «ένα υψηλό όριο για να επιτευχθεί», είπε. Έλι Γουλφ, κβαντικός θεωρητικός στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά.
Το κλειδί για την απόδειξη της μη τοπικότητας είναι να ελέγξουμε εάν οι ιδιότητες ενός σωματιδίου ταιριάζουν με τις ιδιότητες του άλλου - το χαρακτηριστικό της εμπλοκής - από τη στιγμή που είναι αρκετά μακριά μεταξύ τους ώστε τίποτα άλλο να μην μπορεί να προκαλέσει τα αποτελέσματα. Για παράδειγμα, ένα σωματίδιο που είναι ακόμα φυσικά κοντά στο μπλεγμένο δίδυμό του μπορεί να εκπέμπει ακτινοβολία που επηρεάζει το άλλο. Αλλά αν απέχουν ένα μίλι μεταξύ τους και μετρώνται πρακτικά στιγμιαία, τότε πιθανότατα συνδέονται μόνο με εμπλοκή. Οι πειραματιστές χρησιμοποιούν ένα σύνολο εξισώσεων που ονομάζονται Ανισότητες καμπάνας για να αποκλειστούν όλες οι άλλες εξηγήσεις για τις συνδεδεμένες ιδιότητες των σωματιδίων.
Με τρία σωματίδια, η διαδικασία απόδειξης μη τοπικότητας είναι παρόμοια, αλλά υπάρχουν περισσότερες πιθανότητες να αποκλειστεί. Αυτό δείχνει την πολυπλοκότητα τόσο των μετρήσεων όσο και των μαθηματικών κρίκων που πρέπει να περάσουν οι επιστήμονες για να αποδείξουν τη μη τοπική σχέση των τριών σωματιδίων. «Πρέπει να βρείτε έναν δημιουργικό τρόπο για να το προσεγγίσετε», είπε ο Bierhorst — και να έχετε την τεχνολογία για να δημιουργήσετε ακριβώς τις κατάλληλες συνθήκες στο εργαστήριο.
Στα αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν τον Αύγουστο, μια ομάδα στο Χεφέι της Κίνας έκανε ένα κρίσιμο άλμα προς τα εμπρός. Πρώτον, εκτοξεύοντας λέιζερ μέσω ενός ειδικού τύπου κρυστάλλου, αυτοί μπλεγμένες τρία φωτόνια και τα τοποθέτησαν σε διαφορετικές περιοχές της ερευνητικής εγκατάστασης, σε απόσταση εκατοντάδων μέτρων μεταξύ τους. Στη συνέχεια μέτρησαν ταυτόχρονα μια τυχαία ιδιότητα κάθε φωτονίου. Οι ερευνητές ανέλυσαν τις μετρήσεις και διαπίστωσαν ότι η σχέση μεταξύ των τριών σωματιδίων εξηγείται καλύτερα από την τριμερή κβαντική μη τοπικότητα. Ήταν η πιο ολοκληρωμένη επίδειξη τριμερούς μη τοπικότητας μέχρι σήμερα.
Τεχνικά, υπάρχει μια μικρή πιθανότητα ότι κάτι άλλο προκάλεσε τα αποτελέσματα. «Έχουμε ακόμα κάποια ανοιχτά κενά», είπε Xuemei Gu, ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης. Αλλά διαχωρίζοντας τα σωματίδια, μπόρεσαν να αποκλείσουν την πιο κραυγαλέα εναλλακτική εξήγηση για τα δεδομένα τους: τη φυσική εγγύτητα.
Οι συγγραφείς στήριξαν επίσης το πείραμά τους σε ένα νέο, αυστηρότερος ορισμός τριπλής μη τοπικότητας που έχει κερδίσει έλξη τα τελευταία χρόνια. Ενώ παλαιότερα πειράματα επέτρεψαν τη συνεργασία μεταξύ των συσκευών που μέτρησαν τα φωτόνια, οι τρεις συσκευές του Gu δεν μπορούσαν να επικοινωνήσουν. Αντίθετα, έκαναν τυχαίες μετρήσεις των σωματιδίων - ένας περιορισμός που θα ήταν χρήσιμος σε κρυπτογραφικά σενάρια όπου οποιαδήποτε επικοινωνία μπορεί να τεθεί σε κίνδυνο, είπε Ρενάτο Ρένερ, κβαντικός φυσικός στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης. (Χρησιμοποιώντας το παλαιότερο παράδειγμα, μια καναδική ομάδα κατέδειξε μη τοπικότητα τριών κατευθύνσεων σε απόσταση το 2014.)
Τώρα που οι ερευνητές που ακολουθούν τον νέο ορισμό έχουν μπλέξει με επιτυχία σωματίδια τόσο μακριά, μπορούν να επικεντρωθούν στην επέκταση της απόστασης ακόμη περισσότερο.
"Είναι ένα σημαντικό βήμα προς την πραγματοποίηση πειραμάτων μεγαλύτερης απόστασης, μεγαλύτερης κλίμακας", είπε Σαϊκάτ Γκούχα, θεωρητικός της κβαντικής πληροφορίας στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα.
Πιο άμεσα, αυτή η τεχνολογία μπορεί να τροφοδοτήσει πιο εκτεταμένη διανομή κβαντικών κλειδιών, είπε ο Renner. Εάν χρησιμοποιείτε μπερδεμένα σωματίδια ως κλειδί για την κρυπτογράφηση, οι ίδιες ανισότητες Bell που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να ελέγξουν για μη τοπικότητα μπορούν να διασφαλίσουν ότι το μυστικό σας είναι απολύτως ασφαλές. Στη συνέχεια, ακόμα κι αν η συσκευή που χρησιμοποιείτε για να στείλετε ή να λάβετε ένα μήνυμα υποστεί κακόβουλη χειραγώγηση από τον χειρότερο εχθρό σας, δεν θα είναι σε θέση να προσδιορίσει το κβαντικό κλειδί σας. Αυτά τα μυστικά μένουν ανάμεσα σε εσάς και σε όποιον έχει το άλλο μπλεγμένο σωματίδιο.
Εισαγωγή
Η διανομή κβαντικών κλειδιών είναι «το πράγμα για το οποίο οι άνθρωποι ενθουσιάζονται», είπε ο Renner. Πέρυσι, τρεις ξεχωριστές ομάδες έδειξε το πρωτόκολλο στο εργαστήριο, αν και ακόμα σε μικρή κλίμακα. Γι' αυτό η τριμερής μη τοπικότητα θα είναι τόσο σημαντική. «Έχετε καταρχήν πολύ περισσότερη κρυπτογραφική ισχύ», επειδή αυτές οι τριμερείς συνδέσεις δεν μπορούν να προσομοιωθούν συνδυάζοντας μερικούς αμφίδρομους συνδέσμους.
«Είναι ένα θεμελιωδώς νέο επίπεδο φαινομένων», είπε ο Bierhorst, ένα που θα μπορούσε να επεκτείνει την κρυπτογραφία ανεξάρτητη από συσκευές από τη βασική, αμφίδρομη επικοινωνία σε ένα ολόκληρο δίκτυο μοιραστών μυστικών.
Εκτός από την κρυπτογραφία, η πολυμερής εμπλοκή ανοίγει επίσης δυνατότητες για άλλους τύπους κβαντικών δικτύων. Ερευνητές όπως ο Guha εργάζονται σε ένα κβαντικό Διαδίκτυο, το οποίο θα μπορούσε να συνδέσει τους κβαντικούς υπολογιστές με τον τρόπο που το κανονικό Διαδίκτυο συνδέει συνηθισμένες συσκευές. Αυτό το σύστημα θα συγκέντρωνε την υπολογιστική ισχύ πολλών κβαντικών συσκευών συνδέοντας εκατομμύρια σωματίδια με διαφορετικά επίπεδα εμπλοκής σε διάφορες αποστάσεις. Έχουμε όλα τα επιμέρους δομικά στοιχεία για ένα τέτοιο σύστημα, είπε ο Guha, αλλά η συναρμολόγησή του «είναι μια τεράστια, τεράστια πρόκληση μηχανικής». Με αυτόν τον στόχο κατά νου, οι επιστήμονες στην Ολλανδία έχουν πέτυχε εμπλέκοντας τρία σωματίδια σε ένα δίκτυο που εκτείνεται σε δύο ξεχωριστά εργαστήρια — αν και σε αντίθεση με την ομάδα του Gu, δεν επικεντρώθηκαν στην επίδειξη μη τοπικότητας.
Αυτή η εργασία για την τριπλή εμπλοκή ξεκίνησε ως «ένα ενδιαφέρον φαινόμενο», είπε ο Bierhorst. Αλλά «όταν έχεις κάτι που μπορεί να κάνει η κβαντική μηχανική και είναι αδύνατο να γίνει διαφορετικά, αυτό θα ανοίξει κάθε είδους νέες τεχνολογικές δυνατότητες που μπορούν να αξιοποιηθούν με απρόβλεπτους τρόπους».
Προς το παρόν, μερικά εργαστήρια έχουν επιδείξει μη εντοπιότητα τεσσάρων κατευθύνσεων μεταξύ σωματιδίων που βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους. «Αυτά τα πειράματα είναι αρκετά υποθετικά σε αυτό το σημείο. Πρέπει να κάνεις πολλές υποθέσεις», είπε ο Bierhorst.
Τα πειράματα τριών κατευθύνσεων εξακολουθούν να βασίζονται σε ορισμένες υποθέσεις επίσης. Οι βραβευθέντες με Νόμπελ πέρασαν μισό αιώνα αποκλείοντας αυτά τα κενά στα αμφίδρομα πειράματά τους, τελικά το πέτυχαν το 2017. Αλλά έκτοτε έχουμε προχωρήσει πολύ τεχνολογικά, είπε ο Ρένερ.
«Αυτό που [χρειάστηκε] δεκαετίες πριν θα συμβεί τώρα σε ένα χρόνο περίπου», είπε.
