Bevezetés
Ebben a hónapban, három tudós kapott fizikai Nobel-díjat munkájukért, amelyek a kvantumvilág egyik legellentmondásosabb, de legkövetkezményesebb valóságát bizonyítják. Megmutatták, hogy két összegabalyodott kvantumrészecskét egyetlen rendszernek kell tekinteni – állapotaik menthetetlenül összefonódnak egymással – még akkor is, ha a részecskéket nagy távolságok választják el egymástól. A gyakorlatban a „nem lokalitás” jelensége azt jelenti, hogy az Ön előtt álló rendszert azonnal érintheti valami, ami több ezer mérföldre van tőle.
Az összefonódás és a nem lokalitás lehetővé teszi az informatikusok számára, hogy feltörhetetlen kódokat hozzanak létre. Az eszközfüggetlen kvantumkulcs-elosztásnak nevezett technikában egy pár részecskét összefonnak, majd szétosztanak két embernek. A részecskék megosztott tulajdonságai mostantól kódként szolgálhatnak, amely még a kvantumszámítógépek – a klasszikus titkosítási technikák áttörésére képes gépek – általi kommunikációt is biztonságban tartja.
De miért álljunk meg két részecskénél? Elméletileg nincs felső határa annak, hogy hány részecske osztozhat egy kusza állapotban. Az elméleti fizikusok évtizedek óta három-, négy-, vagy akár 100-utas kvantumkapcsolatokat képzeltek el – olyan dolgokat, amelyek lehetővé tennék egy teljesen elosztott kvantumvédett internetet. Most egy kínai laboratórium elérte a nem lokális összefonódást egyszerre három részecske között, ami potenciálisan növeli a kvantumkriptográfia erejét és általában a kvantumhálózatok lehetőségeit.
„A kétpárti nem lokalitás úgy, ahogy van, elég őrült” – mondta Bierhorst Péter, a New Orleansi Egyetem kvantuminformációs teoretikusa. "De kiderült, hogy a kvantummechanika képes még ennél is túlmutató dolgokra, ha három buli van."
A fizikusok több mint két részecskét kevertek össze korábban. A rekord valahol a kettő között van 14 részecske és a 15 billió, attól függően, hogy kit kérdezel. De ezek csak rövid távolságra voltak, legfeljebb néhány hüvelyknyire egymástól. Ahhoz, hogy a többpárti összefonódás hasznossá váljon a kriptográfia számára, a tudósoknak túl kell lépniük az egyszerű összefonódáson, és be kell mutatniuk a nem lokalitást – „magas lécet kell elérni” – mondta. Elie Wolfe, a kanadai Waterloo-i Perimeter Institute for Theoretical Physics kvantumelmélete.
A nem lokalitás bizonyításának kulcsa annak tesztelése, hogy az egyik részecske tulajdonságai megegyeznek-e a másik részecske tulajdonságaival – ez az összefonódás jellegzetessége –, ha már elég távol vannak egymástól ahhoz, hogy semmi más nem okozhatja a hatásokat. Például egy részecske, amely fizikailag még mindig közel van az összegabalyodott ikertestvéréhez, olyan sugárzást bocsáthat ki, amely hatással van a másikra. De ha egy mérföldre vannak egymástól, és gyakorlatilag azonnal mérik őket, akkor valószínűleg csak összefonódás köti őket össze. A kísérletezők egy ún Bell egyenlőtlenségek hogy kizárjunk minden más magyarázatot a részecskék kapcsolt tulajdonságaira.
Három részecskével a nem lokalitás bizonyításának folyamata hasonló, de több lehetőség van a kizárásra. Ez mind a mérések bonyolultságát, mind a matematikai karikákat, amelyeken a tudósoknak át kell ugrani, hogy bebizonyítsák a három részecske nem lokális kapcsolatát, ballonossá teszi. „Kreatív módon kell megközelítenie ezt” – mondta Bierhorst – és rendelkeznie kell a megfelelő technológiával a laboratóriumban.
Az augusztusban közzétett eredmények alapján a kínai Hefeiben egy csapat döntő ugrást tett előre. Először is, ha lézereket lőnek át egy speciális típusú kristályon, azok összekuszált három fotont, és a kutatólétesítmény különböző területein helyezték el, egymástól több száz méter távolságra. Ezután egyidejűleg megmérték az egyes fotonok véletlenszerű tulajdonságát. A kutatók elemezték a méréseket, és megállapították, hogy a három részecske közötti kapcsolatot a legjobban a háromirányú kvantum-nonlokalitás magyarázza. Ez volt a háromirányú nem lokalitás eddigi legátfogóbb demonstrációja.
Technikailag továbbra is kicsi az esélye annak, hogy valami más okozta az eredményeket. "Még mindig van néhány nyitott kiskapunk" - mondta Xuemei Gu, a tanulmány egyik vezető szerzője. Ám a részecskék szétválasztásával ki tudták zárni adataik legszembetűnőbb alternatív magyarázatát: a fizikai közelséget.
A szerzők kísérletüket egy új, szigorúbb meghatározás háromirányú nem lokalitás, amely egyre nagyobb teret hódított az elmúlt években. Míg a korábbi kísérletek lehetővé tették a fotonokat mérő eszközök közötti együttműködést, Gu három eszköze nem tudott kommunikálni. Ehelyett véletlenszerű méréseket végeztek a részecskékről – ez a korlátozás hasznos lenne olyan kriptográfiai forgatókönyvekben, ahol bármilyen kommunikáció veszélybe kerülhet. Renato Renner, a zürichi Svájci Szövetségi Technológiai Intézet kvantumfizikusa. (A régebbi paradigmával egy kanadai csapat igazolták háromirányú nem lokalitás távolról 2014-ben.)
Most, hogy az új definíciót követő kutatók sikeresen összekuszálták a részecskéket ilyen távol, a távolság még tovább növelésére koncentrálhatnak.
"Ez egy fontos lépcsőfok a nagyobb távolságú, nagyobb léptékű kísérletek elvégzése felé" - mondta Saikat Guha, az Arizonai Egyetem kvantuminformációs teoretikusa.
A legközvetlenebbül, ez a technológia kiterjedtebb kvantumkulcs-elosztást biztosíthat, mondta Renner. Ha összegabalyodott részecskéket használ a titkosítás kulcsaként, ugyanazok a Bell-egyenlőtlenségek, amelyeket a fizikusok a nem lokalitás tesztelésére használnak, biztosíthatják a titok teljes biztonságát. Ekkor még ha az üzenet küldésére vagy fogadására használt eszközt rosszindulatúan manipulálja is a legrosszabb ellenség, nem fogják tudni meghatározni az Ön kvantumkulcsát. Ezek a titkok közted és bárki között maradnak, akinél a másik összegabalyodott részecske van.
Bevezetés
A kvantumkulcs-elosztás „az a dolog, amitől az emberek izgatottak” – mondta Renner. Tavaly, három külön csoport demonstrálta a protokollt a laborban, bár még mindig kis léptékben. Ezért lesz olyan fontos a háromirányú nem lokalitás. „Elvileg sokkal nagyobb kriptográfiai ereje van”, mert ezeket a háromirányú kapcsolatokat nem lehet szimulálni néhány kétirányú link összefűzésével.
"Ez a jelenségek alapvetően új szintje" - mondta Bierhorst, amely az eszközfüggetlen kriptográfiát kiterjesztheti az alapvető, kétirányú kommunikációtól a titkos megosztók egész hálózatáig.
A kriptográfia mellett a többpárti összefonódás más típusú kvantumhálózatok számára is lehetőségeket nyit meg. Az olyan kutatók, mint Guha, azon dolgoznak, hogy a kvantum internet, amely összekapcsolhatja a kvantumszámítógépeket úgy, ahogyan a hagyományos internet összeköti a hétköznapi eszközöket. Ez a rendszer számos kvantumeszköz számítási teljesítményét egyesítené azáltal, hogy részecskék millióit kapcsolja össze, különböző távolságokon keresztül, különböző szintű összefonódással. Minden egyes építőelemünk megvan egy ilyen rendszerhez, mondta Guha, de összeszerelése „hatalmas, óriási mérnöki kihívás”. Ezt a célt szem előtt tartva a holland tudósok sikerült három részecske összefonódásában egy két különálló laboratóriumot átívelő hálózatban – bár Gu csapatával ellentétben nem a nem lokalitás bemutatására összpontosítottak.
Ez a háromirányú összefonódással kapcsolatos munka „csak érdekes jelenségként” indult – mondta Bierhorst. De „ha van valami, amit a kvantummechanika meg tud csinálni, amit másként lehetetlen, az mindenféle új technológiai lehetőséget nyit meg, amelyeket előre nem látható módon lehet kiaknázni.”
Egyelőre néhány laboratórium négyirányú nem lokalitást mutatott ki az egymáshoz nagyon közel eső részecskék között. „Ezek a kísérletek jelenleg meglehetősen spekulatívak. Nagyon sok feltételezést kell tennie” – mondta Bierhorst.
A háromutas kísérletek még mindig támaszkodnak bizonyos feltételezésekre. A Nobel-díjasok fél évszázadot töltöttek azzal, hogy kizárják ezeket a kiskapukat kétirányú kísérleteik során, végül 2017-ben sikerrel jártak. De azóta technológiailag hosszú utat tettünk meg – mondta Renner.
„Ami évtizedekig tartott, az most egy év múlva megtörténik” – mondta.
