نتایج درهم تنیدگی جدید به کدهای کوانتومی بهتر اشاره می کند

این ماه، سه دانشمند برنده جایزه نوبل فیزیک شدند برای کارشان که یکی از غیرمعمول‌ترین و در عین حال پیامدترین واقعیت‌های دنیای کوانتومی را اثبات می‌کنند. آنها نشان دادند که دو ذره کوانتومی درهم تنیده را باید یک سیستم واحد در نظر گرفت - حالات آنها به طور اجتناب ناپذیری با یکدیگر در هم تنیده شده است - حتی اگر ذرات با فواصل زیادی از هم جدا شوند. در عمل، این پدیده "غیر محلی" به این معنی است که سیستمی که در مقابل شما دارید می تواند بلافاصله تحت تأثیر چیزی قرار گیرد که هزاران مایل دورتر است.

درهم تنیدگی و غیرمحلی بودن، دانشمندان کامپیوتر را قادر می سازد تا کدهای غیرقابل شکستن ایجاد کنند. در تکنیکی که به عنوان توزیع کلید کوانتومی مستقل از دستگاه شناخته می شود، یک جفت ذره در هم پیچیده شده و سپس بین دو نفر توزیع می شود. ویژگی‌های مشترک ذرات اکنون می‌تواند به عنوان یک کد عمل کند، کدی که ارتباطات را حتی از رایانه‌های کوانتومی ایمن نگه می‌دارد - ماشین‌هایی که قادر به شکستن تکنیک‌های رمزگذاری کلاسیک هستند.

اما چرا روی دو ذره توقف کنیم؟ در تئوری، هیچ محدودیت بالایی در مورد اینکه چند ذره می توانند حالت درهم تنیده را به اشتراک بگذارند وجود ندارد. برای چندین دهه، فیزیکدانان نظری، اتصالات کوانتومی سه طرفه، چهار طرفه و حتی 100 طرفه را تصور می کردند - چیزی که امکان یک اینترنت کاملاً محافظت شده کوانتومی توزیع شده را فراهم می کند. اکنون، آزمایشگاهی در چین به چیزی دست یافته است که به نظر می رسد درهم تنیدگی غیرمحلی بین سه ذره در آن واحد است که به طور بالقوه قدرت رمزنگاری کوانتومی و امکانات شبکه های کوانتومی را به طور کلی افزایش می دهد.

گفت: «غیرمحلی دو طرفه به اندازه کافی دیوانه کننده است پیتر بیرهورست، یک نظریه پرداز اطلاعات کوانتومی در دانشگاه نیواورلئان. اما به نظر می رسد که مکانیک کوانتومی می تواند کارهایی انجام دهد که حتی در صورت داشتن سه گروه فراتر از آن است.

فیزیکدانان قبلاً بیش از دو ذره را در هم پیچیده کرده بودند. رکورد چیزی بین این دو است 14 ذره و 15 تریلیونبسته به اینکه از چه کسی بپرسید اما اینها فقط در فواصل کوتاه و حداکثر فقط چند اینچ از هم فاصله داشتند. برای اینکه درهم تنیدگی چند جانبه برای رمزنگاری مفید باشد، دانشمندان باید فراتر از درهم تنیدگی ساده رفته و غیرمحلی بودن را نشان دهند - "نقطه بالایی برای دستیابی" الی ولف، نظریه پرداز کوانتومی در موسسه فیزیک نظری پیرامونی در واترلو، کانادا.

کلید اثبات غیرمحلی بودن این است که آزمایش کنیم که آیا خواص یک ذره با ویژگی های ذره دیگر - مشخصه درهم تنیدگی - مطابقت دارد یا خیر، زمانی که آنها به اندازه کافی از هم دور شوند که هیچ چیز دیگری نمی تواند تأثیرات را ایجاد کند. برای مثال، ذره‌ای که هنوز از نظر فیزیکی به دوقلوی درهم‌تنیده‌اش نزدیک است، ممکن است تشعشعاتی از خود ساطع کند که بر دیگری تأثیر بگذارد. اما اگر یک مایل از هم فاصله داشته باشند و عملاً فوراً اندازه گیری شوند، احتمالاً فقط با درهم تنیدگی به هم مرتبط می شوند. آزمایشگران از مجموعه ای از معادلات به نام استفاده می کنند نابرابری های زنگ برای رد تمام توضیحات دیگر برای خواص مرتبط ذرات.

با سه ذره، روند اثبات غیرمحلی مشابه است، اما احتمالات بیشتری برای رد کردن وجود دارد. این امر پیچیدگی اندازه‌گیری‌ها و حلقه‌های ریاضی را که دانشمندان باید برای اثبات رابطه غیرمحلی این سه ذره از بین ببرند، نشان می‌دهد. Bierhorst گفت: "شما باید یک راه خلاقانه برای نزدیک شدن به آن پیدا کنید" - و از فناوری برای ایجاد شرایط مناسب در آزمایشگاه برخوردار باشید.

در نتایج منتشر شده در ماه اوت، یک تیم در هفی، چین، جهشی مهم به جلو انجام داد. ابتدا با شلیک لیزر از طریق نوع خاصی از کریستال، آنها ژولیده سه فوتون و آنها را در مناطق مختلف مرکز تحقیقاتی به فاصله صدها متر از هم قرار دادند. سپس آنها به طور همزمان ویژگی تصادفی هر فوتون را اندازه گرفتند. محققان اندازه‌گیری‌ها را تجزیه و تحلیل کردند و دریافتند که رابطه بین این سه ذره به بهترین وجه توسط غیرمکانی کوانتومی سه‌طرفه توضیح داده می‌شود. این جامع ترین نمایش غیرمحلی سه طرفه تا به امروز بود.

از نظر فنی، احتمال کمی وجود دارد که چیز دیگری باعث نتایج شود. گفت: «ما هنوز هم راه‌های باز داریم Xuemei Gu، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه. اما با جداسازی ذرات، آنها توانستند واضح ترین توضیح جایگزین برای داده های خود را رد کنند: نزدیکی فیزیکی.

نویسندگان همچنین آزمایش خود را بر اساس یک آزمایش جدید، تعریف دقیق تر غیرمحلی سه طرفه که در چند سال گذشته مورد توجه قرار گرفته است. در حالی که آزمایش‌های گذشته امکان همکاری بین دستگاه‌هایی را که فوتون‌ها را اندازه‌گیری می‌کردند، فراهم می‌کرد، سه دستگاه گو نمی‌توانستند ارتباط برقرار کنند. در عوض، آنها اندازه گیری های تصادفی ذرات را انجام دادند - محدودیتی که در سناریوهای رمزنگاری که در آن هر گونه ارتباطی می تواند به خطر بیفتد مفید است. رناتو رنر، فیزیکدان کوانتومی در موسسه فدرال فناوری سوئیس زوریخ. (با استفاده از پارادایم قدیمی تر، یک تیم کانادایی نشان غیرمحلی سه طرفه از راه دور در سال 2014.)

اکنون که محققانی که این تعریف جدید را دنبال می‌کنند با موفقیت ذرات را تا این حد از هم درگیر کرده‌اند، می‌توانند بر گسترش فاصله بیشتر تمرکز کنند.

گفت: «این یک گام مهم برای انجام آزمایش‌های در مسافت‌های طولانی‌تر و در مقیاس بزرگ‌تر است». سایکات گوها، یک نظریه پرداز اطلاعات کوانتومی در دانشگاه آریزونا.

رنر گفت که مستقیماً، این فناوری می تواند توزیع کلید کوانتومی گسترده تری را تامین کند. اگر از ذرات درهم تنیده به‌عنوان کلید رمزگذاری استفاده می‌کنید، همان نابرابری‌های بل که فیزیکدان‌ها برای آزمایش غیرمکانی استفاده می‌کنند، می‌تواند اطمینان حاصل کند که راز شما کاملاً ایمن است. سپس حتی اگر دستگاهی که برای ارسال یا دریافت پیام استفاده می کنید توسط بدترین دشمن شما دستکاری شود، آنها نمی توانند کلید کوانتومی شما را تعیین کنند. آن اسرار بین تو و هرکسی که ذره درهم تنیده دیگر را دارد باقی می ماند.

رنر گفت که توزیع کلید کوانتومی "چیزی است که مردم در مورد آن هیجان زده هستند." سال گذشته، سه گروه مجزا پروتکل را در آزمایشگاه نشان داد، هرچند هنوز در مقیاس کوچک. به همین دلیل غیرمحلی بودن سه طرفه بسیار مهم خواهد بود. "در اصل شما قدرت رمزنگاری بسیار بیشتری دارید"، زیرا این اتصالات سه طرفه را نمی توان با همبندی چند پیوند دو طرفه شبیه سازی کرد.

Bierhorst گفت: «این یک سطح اساساً جدید از پدیده است، سطحی که می تواند رمزنگاری مستقل از دستگاه را از ارتباطات اولیه و دو طرفه به یک شبکه کامل از اشتراک‌گذاران راز گسترش دهد.

علاوه بر رمزنگاری، درهم تنیدگی چند جانبه نیز امکاناتی را برای انواع دیگر شبکه‌های کوانتومی باز می‌کند. محققانی مانند Guha در حال کار بر روی یک اینترنت کوانتومی، که می تواند کامپیوترهای کوانتومی را به روشی که اینترنت معمولی دستگاه های معمولی را به هم متصل می کند، به هم مرتبط کند. این سیستم با اتصال میلیون ها ذره با سطوح مختلف درهم تنیدگی در فواصل مختلف، قدرت محاسباتی بسیاری از دستگاه های کوانتومی را گرد هم می آورد. گوها گفت: ما تمام اجزای سازنده چنین سیستمی را داریم، اما مونتاژ آن "یک چالش بزرگ مهندسی است." با در نظر گرفتن این هدف، دانشمندان در هلند موفق شدم در درهم‌تنیدگی سه ذره در شبکه‌ای که دو آزمایشگاه مجزا را در بر می‌گیرد - اگرچه برخلاف تیم Gu، آنها بر نشان دادن غیرمحلی بودن متمرکز نبودند.

بیرهورست گفت: این کار روی درهم تنیدگی سه طرفه به عنوان "فقط یک پدیده جالب" آغاز شد. اما "وقتی شما کاری دارید که مکانیک کوانتومی می تواند انجام دهد و انجام آن غیرممکن است، در غیر این صورت انجام آن غیرممکن است، انواع احتمالات تکنولوژیکی جدید را باز می کند که می توان از آنها به روش های پیش بینی نشده بهره برداری کرد."

در حال حاضر، چند آزمایشگاه غیرمحلی چهار طرفه را بین ذرات بسیار نزدیک به هم نشان داده‌اند. «این آزمایش‌ها در این مرحله کاملاً گمانه‌زنی هستند. بیرهورست گفت: شما باید فرضیات زیادی داشته باشید.

آزمایش‌های سه‌طرفه همچنان بر برخی مفروضات نیز تکیه دارند. رنر گفت که برندگان جایزه نوبل نیم قرن را صرف حذف این نقاط ضعف در آزمایش‌های دوطرفه خود کردند و سرانجام در سال 2017 موفق شدند.

او گفت: «آنچه پیش از این چندین دهه طول کشید، اکنون در یک سال یا بیشتر اتفاق خواهد افتاد.