תוצאות הסתבכות חדשות רמז לקודים קוונטיים טובים יותר

בחודש זה, שלושה מדענים זכו בפרס נובל לפיזיקה על עבודתם שהוכיחה את אחת המציאות הכי מנוגדת לאינטואיציה אך עם זאת התוצאה של העולם הקוונטי. הם הראו ששני חלקיקים קוונטיים סבוכים חייבים להיחשב למערכת אחת - מצביהם שלובים זה בזה ללא הרף - גם אם החלקיקים מופרדים במרחקים גדולים. בפועל, תופעה זו של "אי-לוקאליות" פירושה שהמערכת שיש לך מולך יכולה להיות מושפעת באופן מיידי ממשהו שנמצא אלפי קילומטרים משם.

הסתבכות ואי-לוקאליות מאפשרות למדעני מחשב ליצור קודים בלתי ניתנים לפיצוח. בטכניקה המכונה הפצת מפתח קוונטי בלתי תלוי במכשיר, זוג חלקיקים מסתבך ואז מופץ לשני אנשים. המאפיינים המשותפים של החלקיקים יכולים כעת לשמש כקוד, כזה שישמור על תקשורת בטוחה אפילו ממחשבים קוונטיים - מכונות המסוגלות לפרוץ טכניקות הצפנה קלאסיות.

אבל למה לעצור בשני חלקיקים? בתיאוריה, אין גבול עליון לכמה חלקיקים יכולים לחלוק מצב סבוך. במשך עשרות שנים, פיזיקאים תיאורטיים דמיינו קשרים קוונטיים תלת כיווני, ארבעה כיווני ואפילו 100 כיוונים - מסוג הדברים שיאפשרו אינטרנט מוגן קוונטי מבוזר במלואו. כעת, מעבדה בסין השיגה מה שנראה כהסתבכות לא מקומית בין שלושה חלקיקים בו-זמנית, מה שעשוי להגביר את עוצמת ההצפנה הקוונטית ואת האפשרויות לרשתות קוונטיות באופן כללי.

"לא מקומיות של שתי מפלגות היא מטורפת מספיק כמו שהיא", אמר פיטר ביהרהורסט, תיאורטיקן מידע קוונטי באוניברסיטת ניו אורלינס. "אבל מסתבר שמכניקת הקוונטים יכולה לעשות דברים שהם אפילו מעבר לזה כשיש לך שלושה צדדים."

פיזיקאים הסתבכו יותר משני חלקיקים בעבר. השיא נמצא איפשהו בין לבין 14 חלקיקים ו 15 טריליון, תלוי את מי שואלים. אבל אלה היו רק על פני מרחקים קצרים, רק סנטימטרים זה מזה לכל היותר. כדי להפוך את ההסתבכות הרב-צדדית לשימושית לקריפטוגרפיה, מדענים צריכים ללכת מעבר להסתבכות פשוטה ולהפגין חוסר מקומיות - "רף גבוה להשגה", אמר. אלי וולף, חוקר קוונטים במכון היקפי לפיזיקה תיאורטית בווטרלו, קנדה.

המפתח להוכחת אי-לוקאליות הוא לבדוק אם המאפיינים של חלקיק אחד תואמים את המאפיינים של החלק השני - סימן ההיכר של ההסתבכות - ברגע שהם מספיק רחוקים זה מזה ששום דבר אחר לא יכול לגרום להשפעות. לדוגמה, חלקיק שעדיין קרוב פיזית לתאום המסובך שלו עלול לפלוט קרינה שמשפיעה על האחר. אבל אם הם נמצאים במרחק של קילומטר אחד ונמדדים כמעט באופן מיידי, סביר להניח שהם מקושרים רק על ידי הסתבכות. הנסיינים משתמשים בקבוצה של משוואות הנקראות אי שוויון פעמון לשלול את כל שאר ההסברים לתכונות המקושרות של החלקיקים.

עם שלושה חלקיקים, תהליך הוכחת אי-לוקאליות דומה, אבל יש יותר אפשרויות לשלול. זה מרחיב את המורכבות הן של המדידות והן של החישוקים המתמטיים שהמדענים צריכים לקפוץ דרכם כדי להוכיח את הקשר הלא מקומי של שלושת החלקיקים. "צריך להמציא דרך יצירתית לגשת לזה", אמר ביירהורסט - ולהחזיק בטכנולוגיה ליצור בדיוק את התנאים הנכונים במעבדה.

בתוצאות שפורסמו באוגוסט, צוות בהפיי, סין, עשה קפיצת מדרגה מכרעת. ראשית, על ידי ירי לייזרים דרך סוג מיוחד של גביש, הם מסובכת שלושה פוטונים והציבו אותם באזורים שונים של מתקן המחקר, במרחק של מאות מטרים זה מזה. לאחר מכן הם מדדו בו זמנית תכונה אקראית של כל פוטון. החוקרים ניתחו את המדידות ומצאו שהקשר בין שלושת החלקיקים מוסבר בצורה הטובה ביותר על ידי אי-לוקאליות קוונטית תלת כיוונית. זו הייתה ההפגנה המקיפה ביותר של אי-מקומיות משולשת עד כה.

מבחינה טכנית, נותר סיכוי קטן שמשהו אחר גרם לתוצאות. "עדיין יש לנו כמה פרצות פתוחות", אמר שומי גו, אחד הכותבים הראשיים של המחקר. אבל על ידי הפרדת החלקיקים, הם הצליחו לשלול את ההסבר האלטרנטיבי הבולט ביותר לנתונים שלהם: קרבה פיזית.

המחברים גם ביססו את הניסוי שלהם על חדש, הגדרה מחמירה יותר של אי-לוקאליות תלת כיוונית שצוברת תאוצה בשנים האחרונות. בעוד שניסויי העבר אפשרו שיתוף פעולה בין המכשירים שמדדו את הפוטונים, שלושת המכשירים של גו לא יכלו לתקשר. במקום זאת, הם ביצעו מדידות אקראיות של החלקיקים - הגבלה שתהיה שימושית בתרחישים קריפטוגרפיים שבהם ניתן לסכן כל תקשורת. רנאטו רנר, פיזיקאי קוונטים במכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה בציריך. (באמצעות הפרדיגמה הישנה יותר, צוות קנדי מופגן אי-אזור משולש במרחק 2014.)

כעת, לאחר שחוקרים העוקבים אחר ההגדרה החדשה הצליחו לסבך חלקיקים רחוק זה מזה, הם יכולים להתמקד בהרחבת המרחק עוד יותר.

"זוהי אבן קפיצה חשובה לקראת ביצוע ניסויים למרחקים ארוכים יותר, בקנה מידה גדול יותר," אמר סייקט גוהא, תיאורטיקן מידע קוונטי באוניברסיטת אריזונה.

באופן ישיר ביותר, טכנולוגיה זו יכולה להפעיל הפצת מפתח קוונטי נרחב יותר, אמר רנר. אם אתה משתמש בחלקיקים סבוכים כמפתח להצפנה, אותם אי-שוויון של בל שבהם משתמשים פיזיקאים כדי לבדוק אי-לוקאליות יכולים להבטיח שהסוד שלך מאובטח לחלוטין. אז גם אם המכשיר שבו אתה משתמש כדי לשלוח או לקבל הודעה יקבל מניפולציה זדונית על ידי האויב הגרוע ביותר שלך, הם לא יוכלו לקבוע את המפתח הקוונטי שלך. הסודות האלה נשארים בינך לבין מי שיש לו את החלקיק האחר המסובך.

הפצת מפתחות קוונטיים היא "הדבר שאנשים מתלהבים ממנו", אמר רנר. שנה שעברה, שלוש קבוצות נפרדות הדגים את הפרוטוקול במעבדה, אם כי עדיין בקנה מידה קטן. לכן אי-לוקאליות משולשת תהיה כל כך חשובה. "באופן עקרוני יש לך הרבה יותר כוח קריפטוגרפי", מכיוון שלא ניתן לדמות את החיבורים התלת-כיווניים הללו על-ידי שילוב של כמה קישורים דו-כיוונים.

"זוהי רמה חדשה ביסודה של תופעות", אמר ביירהורסט, כזו שיכולה להרחיב קריפטוגרפיה בלתי תלויה במכשיר מתקשורת בסיסית דו-כיוונית לרשת שלמה של משתפי סודות.

מלבד קריפטוגרפיה, הסתבכות רב-צדדית פותחת גם אפשרויות לסוגים אחרים של רשתות קוונטיות. חוקרים כמו Guha עובדים על א אינטרנט קוונטי, שיכול לקשר מחשבים קוונטיים כמו שהאינטרנט הרגיל מחבר מכשירים רגילים. מערכת זו תפגיש את כוח המחשוב של התקנים קוונטיים רבים על ידי חיבור מיליוני חלקיקים עם רמות שונות של הסתבכות על פני מרחקים משתנים. יש לנו את כל אבני הבניין הבודדות למערכת כזו, אמר גוהא, אבל ההרכבה שלה "הוא אתגר הנדסי עצום ועצום". עם מטרה זו בראש, מדענים בהולנד הצליח בהסתבכות של שלושה חלקיקים ברשת המשתרעת על פני שתי מעבדות נפרדות - אם כי בניגוד לצוות של גו, הם לא התמקדו בהפגנת אי-לוקאליות.

העבודה הזו על הסתבכות תלת כיוונית התחילה כ"סתם תופעה מעניינת", אמר ביירהורסט. אבל "כשיש לך משהו שמכניקת הקוונטים יכולה לעשות שאי אפשר לעשות אחרת, זה יפתח כל מיני אפשרויות טכנולוגיות חדשות שניתן לנצל בדרכים בלתי צפויות".

לעת עתה, כמה מעבדות הדגימו אי-לוקאליות בארבע כיוונים בין חלקיקים קרובים מאוד זה לזה. "הניסויים האלה הם די ספקולטיביים בשלב זה. אתה צריך לעשות הרבה הנחות", אמר ביירהורסט.

הניסויים התלת-כיווניים עדיין מסתמכים גם על כמה הנחות. חתני פרס נובל הקדישו חצי מאה לשלול את הפרצות הללו בניסויים הדו-כיווניים שלהם, ולבסוף הצליחו ב-2017. אבל עברנו כברת דרך מאז מבחינה טכנולוגית, אמר רנר.

"מה שלקח עשרות שנים לפני כן יקרה בעוד שנה בערך", אמר.