esittely
Tässä kuussa, kolme tiedemiestä sai Nobelin fysiikan palkinnon heidän työstään, joka osoittaa yhdeksi kvanttimaailman vastakkaisimmista mutta seurauksellisista todellisuuksista. He osoittivat, että kahta kietoutunutta kvanttihiukkasta on pidettävä yhtenä järjestelmänä - niiden tilat kietoutuvat vääjäämättä toisiinsa - vaikka hiukkasia erottaa suuret etäisyydet. Käytännössä tämä "ei-paikkaisuuden" ilmiö tarkoittaa, että edessäsi olevaan järjestelmään voi välittömästi vaikuttaa jokin, joka on tuhansien kilometrien päässä.
Kietoutuminen ja epäpaikallisuus antavat tietotekniikan tutkijoille mahdollisuuden luoda purkamattomia koodeja. Laitteesta riippumattomana kvanttiavaimen jakeluna tunnetussa tekniikassa hiukkaspari sotkeutuu ja jaetaan sitten kahdelle ihmiselle. Hiukkasten yhteiset ominaisuudet voivat nyt toimia koodina, joka pitää viestinnän turvassa jopa kvanttitietokoneilta – koneilta, jotka pystyvät murtautumaan klassisten salaustekniikoiden läpi.
Mutta miksi pysähtyä kahteen hiukkaseen? Teoriassa ei ole ylärajaa sille, kuinka monta hiukkasta voi jakaa kietoutuvan tilan. Teoreettiset fyysikot ovat vuosikymmenten ajan kuvitelleet kolmi-, neli-, jopa 100-suuntaisia kvanttiyhteyksiä – sellaisia, jotka mahdollistaisivat täysin hajautetun kvanttisuojatun Internetin. Nyt Kiinassa sijaitseva laboratorio on saavuttanut ei-paikallisen kietoutumisen kolmen hiukkasen välillä kerralla, mikä mahdollisesti lisää kvanttisalauksen vahvuutta ja kvanttiverkkojen mahdollisuuksia yleisesti.
"Kahden puolueen ulkopuolisuus on tarpeeksi hullua sellaisenaan", sanoi Peter Bierhorst, kvanttiinformaatioteoreetikko New Orleansin yliopistosta. "Mutta näyttää siltä, että kvanttimekaniikka voi tehdä asioita, jotka ylittävät sen, kun sinulla on kolme puoluetta."
Fyysikot ovat sotkeneet enemmän kuin kaksi hiukkasta aiemmin. Ennätys on jossain välissä 14 hiukkasta ja 15 biljoonaa, riippuen keneltä kysyt. Mutta nämä olivat vain lyhyitä matkoja, korkeintaan vain tuumaa toisistaan. Jotta monen osapuolen kietoutuminen olisi hyödyllistä kryptografiassa, tutkijoiden on mentävä yksinkertaista sotkeutumista pidemmälle ja osoitettava ei-lokaalisuus – "korkea rima saavutettavana", sanoi. Elie Wolfe, kvanttiteoreetikko Perimeter Institute for Theoretical Physicsissa Waterloossa, Kanadassa.
Avain epälokaliteetin todistamiseen on testata, vastaavatko yhden hiukkasen ominaisuudet toisen - kietoutumisen tunnusmerkki - ominaisuuksien kanssa, kun ne ovat riittävän kaukana toisistaan, ettei mikään muu voisi aiheuttaa vaikutuksia. Esimerkiksi hiukkanen, joka on edelleen fyysisesti lähellä kietoutunutta kaksostaan, saattaa lähettää säteilyä, joka vaikuttaa toiseen. Mutta jos ne ovat mailin päässä toisistaan ja mitataan käytännössä välittömästi, ne liittyvät todennäköisesti toisiinsa vain sotkeutumalla. Kokeilijat käyttävät yhtälösarjaa nimeltä Bell-epätasa-arvo sulkea pois kaikki muut selitykset hiukkasten linkitetyille ominaisuuksille.
Kolmella hiukkasella epäpaikallisuuden todistamisprosessi on samanlainen, mutta poissulkemismahdollisuuksia on enemmän. Tämä korostaa sekä mittausten monimutkaisuutta että matemaattisia vanteita, jotka tutkijoiden on hypättävä todistaakseen kolmen hiukkasen epäpaikallisen suhteen. "Sinun on keksittävä luova tapa lähestyä sitä", Bierhorst sanoi - ja oltava tekniikka, jolla luodaan juuri oikeat olosuhteet laboratoriossa.
Elokuussa julkaistuissa tuloksissa Kiinan Hefeissä sijaitseva tiimi teki ratkaisevan harppauksen eteenpäin. Ensinnäkin ampumalla lasereita erityisen kristallin läpi sotkeutunut kolme fotonia ja sijoitettiin ne tutkimuslaitoksen eri alueille satojen metrien etäisyydelle toisistaan. Sitten he mittasivat samanaikaisesti kunkin fotonin satunnaisen ominaisuuden. Tutkijat analysoivat mittauksia ja havaitsivat, että kolmen hiukkasen välinen suhde selittyy parhaiten kolmisuuntaisella kvanttiepäpaikallisuudella. Se oli tähän mennessä kattavin osoitus kolmisuuntaisesta epäpaikallisuudesta.
Teknisesti on pieni mahdollisuus, että jokin muu aiheutti tulokset. "Meillä on vielä joitakin avoimia porsaanreikiä", sanoi Xuemei Gu, yksi tutkimuksen päätekijöistä. Mutta erottamalla hiukkaset, he pystyivät sulkemaan pois räikeimmän vaihtoehtoisen selityksen tiedoilleen: fyysisen läheisyyden.
Kirjoittajat perustivat kokeilunsa myös uuteen, tiukempi määritelmä kolmisuuntaisesta epäpaikallisuudesta, joka on saanut vetoa viime vuosina. Aiemmat kokeet mahdollistivat fotoneja mittaavien laitteiden välisen yhteistyön, mutta Guin kolme laitetta eivät pystyneet kommunikoimaan. Sen sijaan he tekivät satunnaisia mittauksia hiukkasista - rajoituksesta, joka olisi hyödyllinen kryptografisissa skenaarioissa, joissa mikä tahansa viestintä voi vaarantua, sanoi. Renato Renner, kvanttifyysikko Sveitsin Federal Institute of Technology Zürichissä. (Käyttäen vanhempaa paradigmaa, kanadalainen joukkue osoittivat kolmisuuntainen epäpaikallisuus etänä vuonna 2014.)
Nyt kun uutta määritelmää noudattavat tutkijat ovat onnistuneesti sotkeneet hiukkaset näin kauas toisistaan, he voivat keskittyä laajentamaan etäisyyttä entisestään.
"Se on tärkeä ponnahduslauta pidemmän matkan, laajemman mittakaavan kokeiden tekemiseen", sanoi Saikat Guha, kvanttiinformaatioteoreetikko Arizonan yliopistosta.
Suorimmin tämä tekniikka voi tehostaa laajempaa kvanttiavaimen jakelua, Renner sanoi. Jos käytät kietoutuneita hiukkasia salauksen avaimena, samat Bell-epätasa-arvot, joita fyysikot käyttävät epäpaikallisuuden testaamiseen, voivat varmistaa, että salaisuutesi on täysin suojattu. Silloin vaikka pahin vihollisesi manipuloisi laitetta, jota käytät viestin lähettämiseen tai vastaanottamiseen, he eivät pysty määrittämään kvanttiavaintasi. Nuo salaisuudet jäävät sinun ja sen väliin, jolla on toinen sotkeutunut hiukkanen.
esittely
Kvanttiavainten jakelu on "asia, josta ihmiset ovat innoissaan", Renner sanoi. Viime vuonna, kolme erillistä ryhmää esitti protokollan laboratoriossa, vaikkakin vielä pienessä mittakaavassa. Siksi kolmisuuntainen epäpaikallisuus on niin tärkeää. "Sinulla on periaatteessa paljon enemmän salaustehoa", koska näitä kolmisuuntaisia yhteyksiä ei voida simuloida mukulaamalla yhteen muutama kaksisuuntainen linkki.
"Se on pohjimmiltaan uusi ilmiöiden taso", Bierhorst sanoi, ja se voisi laajentaa laitteista riippumatonta kryptografiaa perus-, kaksisuuntaisesta viestinnästä kokonaiseksi salaisten jakajien verkostoksi.
Krypografian lisäksi monen osapuolen takertuminen avaa mahdollisuuksia myös muun tyyppisille kvanttiverkoille. Guhan kaltaiset tutkijat työskentelevät a kvantti-internet, joka voisi yhdistää kvanttitietokoneita samalla tavalla kuin tavallinen internet yhdistää tavallisia laitteita. Tämä järjestelmä yhdistäisi monien kvanttilaitteiden laskentatehon yhdistämällä miljoonia hiukkasia, joiden kietoutuminen vaihtelee eri etäisyyksillä. Meillä on kaikki yksittäiset rakennuspalikat tällaiseen järjestelmään, Guha sanoi, mutta sen kokoaminen "on valtava, valtava insinöörihaaste". Tämä tavoite mielessään Alankomaiden tiedemiehet ovat onnistunut sotkemalla kolme hiukkasta verkostoon, joka kattaa kaksi erillistä laboratoriota – vaikka toisin kuin Gu:n tiimi, he eivät keskittyneet osoittamaan epäpaikallisuudesta.
Tämä kolmisuuntainen kietoutuminen alkoi "vain mielenkiintoisena ilmiönä", sanoi Bierhorst. Mutta "kun sinulla on jotain, mitä kvanttimekaniikka voi tehdä, mutta se on mahdotonta tehdä muuten, se avaa kaikenlaisia uusia teknologisia mahdollisuuksia, joita voidaan hyödyntää odottamattomilla tavoilla."
Toistaiseksi muutamat laboratoriot ovat osoittaneet nelisuuntaisen epäpaikallisuuden hiukkasten välillä, jotka ovat hyvin lähellä toisiaan. "Nämä kokeet ovat tässä vaiheessa melko spekulatiivisia. Sinun on tehtävä paljon oletuksia”, Bierhorst sanoi.
Kolmisuuntaiset kokeet perustuvat edelleen joihinkin oletuksiin. Nobel-palkitut käyttivät puoli vuosisataa sulkeakseen pois nämä porsaanreiät kaksisuuntaisissa kokeissaan, ja lopulta onnistuivat vuonna 2017. Mutta sen jälkeen olemme edenneet teknisesti pitkälle, Renner sanoi.
"Se, mikä [kesti] vuosikymmeniä ennen, tapahtuu nyt noin vuoden kuluttua", hän sanoi.
