नए उलझाव के परिणाम बेहतर क्वांटम कोड की ओर इशारा करते हैं

इस महीने, तीन वैज्ञानिकों को मिला भौतिकी का नोबेल पुरस्कार उनके काम के लिए क्वांटम दुनिया की सबसे अधिक प्रतिवादी अभी तक परिणामी वास्तविकताओं में से एक साबित होता है। उन्होंने दिखाया कि दो उलझे हुए क्वांटम कणों को एक ही प्रणाली माना जाना चाहिए - उनके राज्य एक-दूसरे के साथ अनिवार्य रूप से जुड़े हुए हैं - भले ही कण बड़ी दूरी से अलग हो जाएं। व्यवहार में, "गैर-स्थानीयता" की इस घटना का अर्थ है कि आपके सामने जो प्रणाली है, वह हजारों मील दूर किसी चीज से तुरंत प्रभावित हो सकती है।

उलझाव और गैर-स्थानीयता कंप्यूटर वैज्ञानिकों को अचूक कोड बनाने में सक्षम बनाती है। डिवाइस-स्वतंत्र क्वांटम कुंजी वितरण के रूप में जानी जाने वाली तकनीक में, कणों की एक जोड़ी उलझ जाती है और फिर दो लोगों को वितरित की जाती है। कणों के साझा गुण अब एक कोड के रूप में काम कर सकते हैं, जो क्वांटम कंप्यूटरों से भी संचार को सुरक्षित रखेगा - शास्त्रीय एन्क्रिप्शन तकनीकों के माध्यम से तोड़ने में सक्षम मशीनें।

लेकिन दो कणों पर क्यों रुकें? सिद्धांत रूप में, कितने कण एक उलझी हुई अवस्था को साझा कर सकते हैं, इसकी कोई ऊपरी सीमा नहीं है। दशकों से, सैद्धांतिक भौतिकविदों ने तीन-तरफा, चार-तरफा, यहां तक ​​​​कि 100-तरफा क्वांटम कनेक्शन की कल्पना की है - ऐसी चीज जो पूरी तरह से वितरित क्वांटम-संरक्षित इंटरनेट की अनुमति देगी। अब, चीन में एक प्रयोगशाला ने हासिल किया है जो एक ही बार में तीन कणों के बीच गैर-स्थानीय उलझाव प्रतीत होता है, संभावित रूप से क्वांटम क्रिप्टोग्राफी की ताकत और क्वांटम नेटवर्क की संभावनाओं को आम तौर पर बढ़ाता है।

"दो-पक्षीय गैर-लोकलता काफी पागल है जैसा कि यह है," ने कहा पीटर बियरहोर्स्ट, न्यू ऑरलियन्स विश्वविद्यालय में क्वांटम सूचना सिद्धांतकार। "लेकिन यह पता चला है कि क्वांटम यांत्रिकी सामान कर सकती है जो इससे भी आगे जाती है जब आपके पास तीन पार्टियां होती हैं।"

भौतिक विज्ञानी पहले भी दो से अधिक कणों को उलझा चुके हैं। रिकॉर्ड कहीं बीच में है 14 कण और 15 खरब, आप किससे पूछते हैं इसके आधार पर। लेकिन ये केवल छोटी दूरी के पार थे, सबसे ज्यादा सिर्फ इंचों की दूरी पर। क्रिप्टोग्राफी के लिए बहुदलीय उलझाव को उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को साधारण उलझाव से परे जाने और गैर-स्थानीयता प्रदर्शित करने की आवश्यकता है - "प्राप्त करने के लिए एक उच्च बार," ने कहा ऐली वोल्फ, कनाडा के वाटरलू में सैद्धांतिक भौतिकी के परिधि संस्थान में क्वांटम सिद्धांतकार।

गैर-स्थानीयता साबित करने की कुंजी यह जांचना है कि क्या एक कण के गुण दूसरे के गुणों से मेल खाते हैं - उलझाव की पहचान - एक बार जब वे काफी दूर हो जाते हैं तो कुछ भी प्रभाव पैदा नहीं कर सकता है। उदाहरण के लिए, एक कण जो अभी भी भौतिक रूप से अपने उलझे हुए जुड़वां के करीब है, वह विकिरण उत्सर्जित कर सकता है जो दूसरे को प्रभावित करता है। लेकिन अगर वे एक मील दूर हैं और व्यावहारिक रूप से तुरंत मापा जाता है, तो वे संभवतः केवल उलझाव से जुड़े होते हैं। प्रयोगकर्ता समीकरणों के एक सेट का उपयोग करते हैं जिसे कहा जाता है बेल असमानताएं कणों से जुड़े गुणों के लिए अन्य सभी स्पष्टीकरणों को रद्द करने के लिए।

तीन कणों के साथ, गैर-स्थानीयता साबित करने की प्रक्रिया समान है, लेकिन इससे इंकार करने की अधिक संभावनाएं हैं। यह माप और गणितीय हुप्स दोनों की जटिलता को बढ़ाता है जिसे वैज्ञानिकों को तीन कणों के गैर-संबंध को साबित करने के लिए कूदना चाहिए। "आपको इससे संपर्क करने के लिए एक रचनात्मक तरीके के साथ आना होगा," बियरहोर्स्ट ने कहा - और प्रयोगशाला में सही स्थिति बनाने के लिए तकनीक है।

अगस्त में प्रकाशित परिणामों में, चीन के हेफ़ेई में एक टीम ने एक महत्वपूर्ण छलांग लगाई। सबसे पहले, एक विशेष प्रकार के क्रिस्टल के माध्यम से लेज़रों को शूट करके, वे उलझा तीन फोटॉन और उन्हें अनुसंधान सुविधा के विभिन्न क्षेत्रों में सैकड़ों मीटर की दूरी पर रखा। फिर उन्होंने एक साथ प्रत्येक फोटॉन की एक यादृच्छिक संपत्ति को मापा। शोधकर्ताओं ने मापों का विश्लेषण किया और पाया कि तीन कणों के बीच संबंध को तीन-तरफा क्वांटम गैर-स्थानीयता द्वारा सबसे अच्छी तरह समझाया गया था। यह तीन-तरफ़ा गैर-स्थानीयता का अब तक का सबसे व्यापक प्रदर्शन था।

तकनीकी रूप से, इस बात की बहुत कम संभावना है कि कुछ और परिणाम का कारण बने। "हमारे पास अभी भी कुछ खुली खामियां हैं," ने कहा ज़ुमेई गु, अध्ययन के प्रमुख लेखकों में से एक। लेकिन कणों को अलग करके, वे अपने डेटा के लिए सबसे स्पष्ट वैकल्पिक स्पष्टीकरण को रद्द करने में सक्षम थे: भौतिक निकटता।

लेखकों ने भी अपने प्रयोग को एक नए पर आधारित किया, सख्त परिभाषा तीन-तरफ़ा गैर-स्थानीयता जो पिछले कुछ वर्षों में कर्षण प्राप्त कर रही है। जबकि पिछले प्रयोगों ने फोटॉन को मापने वाले उपकरणों के बीच सहयोग की अनुमति दी थी, गु के तीन डिवाइस संचार नहीं कर सके। इसके बजाय, उन्होंने कणों का यादृच्छिक माप किया - एक प्रतिबंध जो क्रिप्टोग्राफिक परिदृश्यों में उपयोगी होगा जहां किसी भी संचार से समझौता किया जा सकता है, ने कहा रेनाटो रेनरस्विस फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी ज्यूरिख में क्वांटम भौतिक विज्ञानी। (पुराने प्रतिमान का उपयोग करते हुए, एक कनाडाई टीम साबित 2014 में दूरी पर तीन-तरफा गैर-स्थानीयता।)

अब जब नई परिभाषा का पालन करने वाले शोधकर्ताओं ने कणों को सफलतापूर्वक दूर कर लिया है, तो वे दूरी को और भी आगे बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं।

"यह लंबी दूरी, बड़े पैमाने पर प्रयोग करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है," ने कहा सैकत गुहाएरिज़ोना विश्वविद्यालय में क्वांटम सूचना सिद्धांतकार।

सबसे सीधे, यह तकनीक अधिक विस्तृत क्वांटम कुंजी वितरण को शक्ति प्रदान कर सकती है, रेनर ने कहा। यदि आप एन्क्रिप्शन की कुंजी के रूप में उलझे हुए कणों का उपयोग करते हैं, तो वही बेल असमानताएं जो भौतिक विज्ञानी गैर-स्थानीयता के परीक्षण के लिए उपयोग करते हैं, यह सुनिश्चित कर सकती हैं कि आपका रहस्य पूरी तरह से सुरक्षित है। फिर भले ही आप जिस उपकरण का उपयोग संदेश भेजने या प्राप्त करने के लिए करते हैं, वह आपके सबसे बड़े दुश्मन द्वारा दुर्भावनापूर्ण रूप से हेरफेर किया जाता है, वे आपकी क्वांटम कुंजी निर्धारित करने में सक्षम नहीं होंगे। वे रहस्य आपके और जिनके पास दूसरा उलझा हुआ कण है, उनके बीच रहता है।

क्वांटम कुंजी वितरण "वह चीज है जिसके बारे में लोग उत्साहित हैं," रेनर ने कहा। पिछले साल, तीन अलग समूह प्रयोगशाला में प्रोटोकॉल का प्रदर्शन किया, हालांकि अभी भी एक छोटे पैमाने पर। इसलिए थ्री-वे नॉनलोकैलिटी इतनी महत्वपूर्ण होगी। "आपके पास सिद्धांत रूप में बहुत अधिक क्रिप्टोग्राफ़िक शक्ति है," क्योंकि इन तीन-तरफ़ा कनेक्शनों को कुछ दो-तरफ़ा लिंक को एक साथ जोड़कर सिम्युलेटेड नहीं किया जा सकता है।

"यह एक मौलिक रूप से नए स्तर की घटना है," बियरहोर्स्ट ने कहा, जो डिवाइस-स्वतंत्र क्रिप्टोग्राफी को बुनियादी, दो-तरफा संचार से गुप्त-साझाकर्ताओं के पूरे नेटवर्क तक विस्तारित कर सकता है।

क्रिप्टोग्राफी के अलावा, मल्टीपार्टी उलझाव अन्य प्रकार के क्वांटम नेटवर्क के लिए भी संभावनाएं खोलता है। गुहा जैसे शोधकर्ता इस पर काम कर रहे हैं क्वांटम इंटरनेट, जो क्वांटम कंप्यूटरों को उस तरह से जोड़ सकता है जिस तरह से नियमित इंटरनेट सामान्य उपकरणों को जोड़ता है। यह प्रणाली लाखों कणों को अलग-अलग दूरी पर उलझाव के विभिन्न स्तरों से जोड़कर कई क्वांटम उपकरणों की कंप्यूटिंग शक्ति को एक साथ लाएगी। गुहा ने कहा, इस तरह की प्रणाली के लिए हमारे पास सभी व्यक्तिगत बिल्डिंग ब्लॉक हैं, लेकिन इसे इकट्ठा करना "एक बड़ी, बड़ी इंजीनियरिंग चुनौती है।" इसी लक्ष्य को ध्यान में रखते हुए नीदरलैंड के वैज्ञानिकों ने सफल हुए दो अलग-अलग प्रयोगशालाओं में फैले नेटवर्क में तीन कणों को उलझाने में - हालांकि गु की टीम के विपरीत, वे गैर-स्थानीयता का प्रदर्शन करने पर केंद्रित नहीं थे।

तीन-तरफा उलझाव पर यह काम "सिर्फ एक दिलचस्प घटना" के रूप में शुरू हुआ, बीरहोर्स्ट ने कहा। लेकिन "जब आपके पास ऐसा कुछ है जो क्वांटम यांत्रिकी कर सकता है, अन्यथा करना असंभव है, तो यह सभी प्रकार की नई तकनीकी संभावनाओं को खोलने जा रहा है जिनका अप्रत्याशित तरीकों से शोषण किया जा सकता है।"

अभी के लिए, कुछ प्रयोगशालाओं ने कणों के बीच चार-तरफा गैर-स्थानीयता का प्रदर्शन किया है जो एक साथ बहुत करीब हैं। "ये प्रयोग इस बिंदु पर काफी सट्टा हैं। आपको बहुत सी धारणाएँ बनानी होंगी, ”बीरहॉर्स्ट ने कहा।

तीन-तरफ़ा प्रयोग अभी भी कुछ मान्यताओं पर भी निर्भर हैं। नोबेल पुरस्कार विजेताओं ने अपने दो-तरफा प्रयोगों में उन खामियों को दूर करने में आधी सदी बिताई, आखिरकार 2017 में सफल हुए। लेकिन तब से तकनीकी रूप से हम एक लंबा सफर तय कर चुके हैं, रेनर ने कहा।

"जो [लिया] दशकों पहले अब एक या एक साल में होगा," उन्होंने कहा।