Sissejuhatus
See kuu, kolm teadlast pälvisid Nobeli füüsikaauhinna nende töö eest, mis tõestavad kvantmaailma üht kõige vastuolulisemat, kuid samas tagajärjetumat reaalsust. Nad näitasid, et kahte takerdunud kvantosakest tuleb pidada üheks süsteemiks – nende olekud on üksteisega vääramatult läbi põimunud – isegi kui osakesed on üksteisest suurte vahemaadega eraldatud. Praktikas tähendab see "mittelokaalsuse" nähtus, et miski, mis asub tuhandete miilide kaugusel, võib teie ees olevale süsteemile koheselt mõju avaldada.
Põimumine ja mittelokaalsus võimaldavad arvutiteadlastel luua purustamatuid koode. Seadmest sõltumatu kvantvõtmejaotusena tuntud tehnikas seotakse osakeste paar ja jagatakse seejärel kahele inimesele. Osakeste ühised omadused võivad nüüd toimida koodina, mis hoiab sidet turvalisena isegi kvantarvutitest – masinatest, mis suudavad läbi murda klassikalistest krüpteerimistehnikatest.
Aga miks peatuda kahel osakesel? Teoreetiliselt ei ole ülempiiri, kui palju osakesi võib segatud olekut jagada. Teoreetilised füüsikud on aastakümneid kujutanud ette kolme-, nelja- ja isegi 100-suunalisi kvantühendusi – sedalaadi asja, mis võimaldaks täielikult hajutatud kvantkaitsega Internetti. Nüüd on Hiina labor saavutanud selle, mis näib olevat mittelokaalne põimumine kolme osakese vahel korraga, mis võib potentsiaalselt suurendada kvantkrüptograafia tugevust ja kvantvõrkude võimalusi üldiselt.
"Kahepartei mittepaiksus on piisavalt hull, nagu see on," ütles Peter Bierhorst, New Orleansi ülikooli kvantteabe teoreetik. "Kuid selgub, et kvantmehaanika suudab teha asju, mis lähevad isegi kaugemale, kui teil on kolm pidu."
Füüsikud on varem mässinud rohkem kui kaks osakest. Rekord on kuskil vahepeal 14 osakest ja 15 triljonit, olenevalt sellest, kellelt küsite. Kuid need olid vaid lühikestel vahemaadel, kõige rohkem vaid tolli kaugusel. Et mitmeosaline põimumine krüptograafia jaoks kasulikuks muutuks, peavad teadlased minema kaugemale lihtsast põimumisest ja demonstreerima mittelokaalsust – "kõrge latt, mida saavutada," ütles. Elie Wolfe, kvantteoreetik Perimeetri teoreetilise füüsika instituudis Waterloos, Kanadas.
Mittelokaalsuse tõestamise võti on testida, kas ühe osakese omadused ühtivad teise osakese omadustega – takerdumise tunnusega –, kui nad on teineteisest piisavalt kaugel, et miski muu ei saaks mõjusid põhjustada. Näiteks võib osake, mis on endiselt füüsiliselt lähedal oma takerdunud kaksikule, eraldada kiirgust, mis mõjutab teist. Kuid kui need on üksteisest miili kaugusel ja mõõdetakse praktiliselt silmapilkselt, siis on need tõenäoliselt seotud ainult takerdumise kaudu. Eksperimentaatorid kasutavad võrrandite komplekti, mida nimetatakse Belli ebavõrdsused et välistada kõik muud seletused osakeste seotud omaduste kohta.
Kolme osakese puhul on mittelokaalsuse tõestamise protsess sarnane, kuid välistamisvõimalusi on rohkem. See muudab nii mõõtmiste kui ka matemaatiliste rõngaste keerukuse, millest teadlased peavad läbi hüppama, et tõestada kolme osakese mittelokaalset seost. "Sellele lähenemiseks peate leidma loomingulise viisi, " ütles Bierhorst - ja omama tehnoloogiat, et luua laboris just õiged tingimused.
Augustis avaldatud tulemuste põhjal tegi Hiinas Hefeis asuv meeskond olulise hüppe edasi. Esiteks tulistades lasereid läbi spetsiaalset tüüpi kristalli, nad takerdunud kolm footonit ja paigutasid need uurimisasutuse erinevatesse piirkondadesse, üksteisest sadade meetrite kaugusel. Seejärel mõõtsid nad samaaegselt iga footoni juhuslikku omadust. Teadlased analüüsisid mõõtmisi ja leidsid, et kolme osakese vahelist suhet seletab kõige paremini kolmesuunaline kvantmittelokaalsus. See oli seni kõige põhjalikum kolmesuunalise mittelokaalsuse demonstratsioon.
Tehniliselt on väike võimalus, et tulemused põhjustas midagi muud. "Meil on veel lahtisi lünki," ütles Xuemei Gu, üks uuringu juhtivaid autoreid. Kuid osakeste eraldamisega suutsid nad välistada oma andmete kõige silmatorkavama alternatiivse seletuse: füüsilise läheduse.
Autorid põhinesid oma katsel ka uuel, rangem määratlus kolmesuunalisest mittelokaalsusest, mis on viimastel aastatel üha populaarsemaks muutunud. Kui varasemad katsed võimaldasid footoneid mõõtvate seadmete vahelist koostööd, siis Gu kolm seadet ei saanud suhelda. Selle asemel tegid nad osakeste juhuslikke mõõtmisi - see piirang, mis oleks kasulik krüptograafiliste stsenaariumide korral, kus igasugune side võib ohtu sattuda, ütles. Renato Renner, Šveitsi Föderaalse Tehnoloogiainstituudi Zürichi kvantfüüsik. (Kasutades vanemat paradigmat, Kanada meeskond Näidatud kolmesuunaline mittepaiksus vahemaa tagant 2014. aastal.)
Nüüd, kui uut määratlust järgivad teadlased on osakesed teineteisest nii kaugele mässinud, saavad nad keskenduda kauguse veelgi laiendamisele.
"See on oluline samm pikema vahemaa ja suuremahuliste katsete tegemisel," ütles Saikat Guha, Arizona ülikooli kvantteabe teoreetik.
Kõige otsesemalt võib see tehnoloogia toita ulatuslikumat kvantvõtmejaotust, ütles Renner. Kui kasutate krüptimise võtmena takerdunud osakesi, võivad samad Belli ebavõrdsused, mida füüsikud mittelokaalsuse testimiseks kasutavad, tagada teie saladuse täieliku turvalisuse. Isegi kui teie halvim vaenlane hakkab pahatahtlikult manipuleerima seadet, mida kasutate sõnumi saatmiseks või vastuvõtmiseks, ei saa nad teie kvantvõtit kindlaks teha. Need saladused jäävad sinu ja selle vahele, kellel on teine takerdunud osake.
Sissejuhatus
Kvantvõtmete jaotus on "asi, millest inimesed on põnevil," ütles Renner. Eelmisel aastal, kolm eraldi rühma demonstreeris protokolli laboris, kuigi siiski väikeses mahus. Seetõttu on kolmesuunaline mittelokaalsus nii oluline. "Teil on põhimõtteliselt palju rohkem krüptograafilist jõudu", sest neid kolmesuunalisi ühendusi ei saa simuleerida paari kahesuunalise lingi kokku kleepimisega.
"See on täiesti uus nähtuste tase," ütles Bierhorst, mis võib laiendada seadmest sõltumatut krüptograafiat põhilisest kahesuunalisest suhtlusest tervele salajagajate võrgustikule.
Lisaks krüptograafiale avab mitme osapoole põimumine võimalusi ka teist tüüpi kvantvõrkudele. Teadlased nagu Guha töötavad a kvantinternett, mis võiks ühendada kvantarvuteid nii, nagu tavaline internet ühendab tavalisi seadmeid. See süsteem koondaks paljude kvantseadmete arvutusvõimsuse, ühendades miljoneid osakesi, mille takerdumise tase on erinevatel vahemaadel. Meil on sellise süsteemi jaoks kõik üksikud ehitusplokid, ütles Guha, kuid selle kokkupanek on "tohutu, tohutu inseneri väljakutse." Seda eesmärki silmas pidades on Hollandi teadlased seda teinud õnnestus haarates kolm osakest võrku, mis hõlmab kahte eraldi laborit – kuigi erinevalt Gu meeskonnast ei keskendunud nad mittelokaalsuse demonstreerimisele.
See kolmesuunalise takerdumise töö algas "lihtsalt huvitava nähtusena", ütles Bierhorst. Kuid "kui teil on midagi, mida kvantmehaanika suudab teha ja mida muidu pole võimalik teha, avab see kõikvõimalikke uusi tehnoloogilisi võimalusi, mida saab kasutada ettenägematutel viisidel."
Praeguseks on mõned laborid näidanud neljasuunalist mittelokaalsust üksteisele väga lähedal asuvate osakeste vahel. "Need katsed on praegu üsna spekulatiivsed. Peate tegema palju oletusi, " ütles Bierhorst.
Kolmesuunalised katsed tuginevad endiselt ka teatud eeldustele. Nobeli preemia laureaadid veetsid pool sajandit, et välistada need lüngad oma kahesuunalistes katsetes, mis lõpuks õnnestus 2017. aastal. Kuid oleme sellest ajast tehnoloogiliselt kaugele jõudnud, ütles Renner.
"See, mis [võttis] aastakümneid varem, juhtub nüüd umbes aasta pärast," ütles ta.
