개요
이번 달 세 명의 과학자가 노벨 물리학상을 수상했습니다. 양자 세계에서 가장 반직관적이지만 결과적인 현실 중 하나를 증명하는 작업 덕분입니다. 그들은 두 개의 얽힌 양자 입자가 멀리 떨어져 있더라도 단일 시스템으로 간주되어야 함을 보여주었습니다. 실제로, 이러한 "비국소성" 현상은 눈앞에 있는 시스템이 수천 마일 떨어져 있는 어떤 것에 의해 즉각적으로 영향을 받을 수 있음을 의미합니다.
얽힘과 비국소성은 컴퓨터 과학자들이 해독 불가능한 코드를 생성할 수 있도록 합니다. 장치 독립적인 양자 키 배포라고 알려진 기술에서는 한 쌍의 입자가 얽혀서 두 사람에게 배포됩니다. 입자의 공유 속성은 이제 고전적인 암호화 기술을 뚫을 수 있는 기계인 양자 컴퓨터에서도 통신을 안전하게 유지하는 코드 역할을 할 수 있습니다.
그러나 왜 두 개의 입자를 멈추는가? 이론적으로 얼마나 많은 입자가 얽힌 상태를 공유할 수 있는지에 대한 상한선은 없습니다. 수십 년 동안 이론 물리학자들은 100-way, XNUMX-way, 심지어 XNUMX-way 양자 연결을 상상해 왔습니다. 완전히 분산된 양자 보호 인터넷을 허용하는 그런 것입니다. 이제 중국의 한 연구실은 한 번에 세 입자 사이의 비국소적 얽힘으로 보이는 것을 달성하여 잠재적으로 양자 암호의 강도와 일반적으로 양자 네트워크의 가능성을 높일 수 있습니다.
“양당의 비국소성은 그 자체로 충분히 미쳤다”고 말했다. 피터 비어호르스트, 뉴올리언스 대학의 양자 정보 이론가. "하지만 양자 역학은 세 당사자가 있을 때 그 이상의 것을 할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다."
물리학자들은 이전에 두 개 이상의 입자를 얽힌 적이 있습니다. 기록은 그 사이 어딘가에 있다 14개의 입자 과 15 조, 당신이 묻는 사람에 따라. 그러나 이것들은 기껏해야 몇 인치 떨어져 있는 짧은 거리에 불과했습니다. 다자간 얽힘을 암호화에 유용하게 만들기 위해 과학자들은 단순한 얽힘을 넘어 비국소성을 입증해야 합니다. 엘리 울프, 캐나다 워털루에 있는 Perimeter Institute for Theoretical Physics의 양자 이론가입니다.
비국소성을 증명하는 열쇠는 한 입자의 속성이 다른 입자의 속성과 일치하는지 테스트하는 것입니다. 얽힘의 특징은 다른 어떤 것도 효과를 일으킬 수 없을 정도로 충분히 떨어져 있습니다. 예를 들어, 얽힌 쌍둥이에 여전히 물리적으로 가까운 입자는 다른 입자에 영향을 미치는 방사선을 방출할 수 있습니다. 그러나 그것들이 XNUMX마일 떨어져 있고 실질적으로 즉각적으로 측정된다면, 그것들은 얽힘에 의해서만 연결될 가능성이 높습니다. 실험자들은 다음과 같은 일련의 방정식을 사용합니다. 벨 부등식 입자의 연결된 속성에 대한 다른 모든 설명을 배제합니다.
XNUMX개의 입자로 비국소성을 증명하는 과정은 비슷하지만 배제할 가능성이 더 많습니다. 이것은 과학자들이 세 입자의 비국소적 관계를 증명하기 위해 뛰어넘어야 하는 측정과 수학적 고리 모두의 복잡성을 증가시킵니다. Bierhorst는 "이에 접근할 수 있는 창의적인 방법을 찾아야 합니다."라고 말했습니다. 그리고 실험실에서 적절한 조건을 만들 수 있는 기술을 보유해야 합니다.
XNUMX월에 발표된 결과에서 중국 허페이의 한 팀이 결정적인 도약을 했습니다. 첫째, 특별한 유형의 수정을 통해 레이저를 쏘아 뒤얽히게하는 XNUMX개의 광자를 분리하여 수백 미터 떨어진 연구 시설의 다른 영역에 배치했습니다. 그런 다음 각 광자의 무작위 속성을 동시에 측정했습니다. 연구원들은 측정을 분석하고 세 입자 사이의 관계가 XNUMX원 양자 비국소성에 의해 가장 잘 설명된다는 것을 발견했습니다. 이는 현재까지 XNUMX방향 비국소성에 대한 가장 포괄적인 시연이었다.
기술적으로 다른 것이 결과를 일으켰을 가능성은 여전히 적습니다. 그는 “아직도 허점이 있다”고 말했다. 구 슈에메이, 연구의 주 저자 중 한 명. 그러나 입자를 분리함으로써 데이터에 대한 가장 눈에 띄는 대체 설명인 물리적 근접성을 배제할 수 있었습니다.
저자는 또한 새로운 실험을 기반으로 더 엄격한 정의 지난 몇 년 동안 주목을 받고 있는 XNUMX방향 비국소성. 과거 실험에서는 광자를 측정하는 장치 간의 협력이 가능했지만 Gu의 세 장치는 통신할 수 없었습니다. 대신 그들은 입자를 무작위로 측정했습니다. 이는 통신이 손상될 수 있는 암호화 시나리오에서 유용한 제한 사항이라고 말했습니다. 레나토 레너, 스위스 취리히 연방 공과 대학의 양자 물리학자. (기존 패러다임을 사용하여 캐나다 팀 시연 2014년 XNUMX방향 비국소성 원거리.)
이제 새로운 정의를 따르는 연구원들이 입자를 이렇게 멀리 성공적으로 얽히게 했기 때문에 거리를 더 확장하는 데 집중할 수 있습니다.
"이것은 더 장거리, 더 큰 규모의 실험을 하기 위한 중요한 디딤돌"이라고 말했습니다. 사이 캇 구하, 애리조나 대학의 양자 정보 이론가.
가장 직접적으로, 이 기술은 보다 광범위한 양자 키 배포를 지원할 수 있다고 Renner는 말했습니다. 얽힌 입자를 암호화의 키로 사용하는 경우 물리학자가 비국소성을 테스트하는 데 사용하는 것과 동일한 Bell 부등식을 통해 비밀이 완전히 안전하다는 것을 확인할 수 있습니다. 그러면 메시지를 보내거나 받는 데 사용하는 장치가 최악의 적에 의해 악의적으로 조작되더라도 양자 키를 결정할 수 없습니다. 그 비밀은 당신과 다른 얽힌 입자를 가진 사람 사이에 있습니다.
개요
Renner는 양자 키 배포가 "사람들이 열광하는 것"이라고 말했습니다. 작년, 세 개의 개별 그룹 아직 소규모이지만 실험실에서 프로토콜을 시연했습니다. 그렇기 때문에 XNUMX방향 비국소성이 중요할 것입니다. 이러한 XNUMX방향 연결은 몇 개의 양방향 링크를 함께 꼬아서 시뮬레이션할 수 없기 때문에 "원칙적으로 훨씬 더 많은 암호화 능력을 가지고 있습니다."
Bierhorst는 기본 양방향 통신에서 비밀 공유자의 전체 네트워크로 장치 독립적인 암호화를 확장할 수 있는 "기본적으로 새로운 수준의 현상"이라고 말했습니다.
암호화 외에도 다자간 얽힘은 다른 유형의 양자 네트워크에 대한 가능성도 열어줍니다. 구하와 같은 연구원들은 양자 인터넷일반 인터넷이 일반 장치를 연결하는 방식으로 양자 컴퓨터를 연결할 수 있습니다. 이 시스템은 다양한 거리에 걸쳐 다양한 수준의 얽힘으로 수백만 개의 입자를 연결하여 많은 양자 장치의 컴퓨팅 성능을 결합합니다. Guha는 이러한 시스템을 위한 모든 개별 빌딩 블록을 가지고 있지만 이를 조립하는 것은 "거대하고 거대한 엔지니어링 과제"라고 말했습니다. 이 목표를 염두에 두고 네덜란드의 과학자들은 성공한 두 개의 별도 연구실에 걸쳐 있는 네트워크에서 세 개의 입자를 얽히게 하는 데 있어 — Gu의 팀과 달리 그들은 비국소성을 입증하는 데 초점을 맞추지 않았습니다.
XNUMX방향 얽힘에 대한 이 작업은 "단지 흥미로운 현상"으로 시작되었다고 Bierhorst는 말했습니다. 그러나 "양자 역학이 할 수 있는 일을 다른 방법으로는 불가능할 때 예상치 못한 방식으로 활용될 수 있는 모든 종류의 새로운 기술적 가능성이 열릴 것입니다."
현재 몇몇 연구실에서는 서로 매우 가까운 입자 사이의 XNUMX방향 비국소성을 입증했습니다. “이러한 실험은 현시점에서 상당히 추측적입니다. 많은 가정을 해야 합니다.”라고 Bierhorst가 말했습니다.
2017원 실험은 여전히 일부 가정에 의존합니다. 노벨상 수상자들은 반세기 동안 양방향 실험에서 이러한 허점을 배제했고 마침내 XNUMX년에 성공했습니다. 그러나 그 이후로 우리는 기술적으로 먼 길을 왔다고 Renner는 말했습니다.
“수십 년이 걸리던 일이 이제 XNUMX년 정도 지나면 일어날 것입니다.”라고 그는 말했습니다.
