Introduksjon
Denne måneden tre forskere vant Nobelprisen i fysikk for deres arbeid som beviser en av de mest kontraintuitive, men likevel konsekvensmessige virkelighetene i kvanteverdenen. De viste at to sammenfiltrede kvantepartikler må betraktes som et enkelt system - deres tilstander ubønnhørlig sammenvevd med hverandre - selv om partiklene er adskilt med store avstander. I praksis betyr dette fenomenet "ikke-lokalitet" at systemet du har foran deg umiddelbart kan bli påvirket av noe som er tusenvis av kilometer unna.
Sammenfiltring og ikke-lokalitet gjør det mulig for informatikere å lage koder som ikke kan knekkes. I en teknikk kjent som enhetsuavhengig kvantenøkkelfordeling, blir et par partikler viklet inn og deretter distribuert til to personer. Partiklenes delte egenskaper kan nå tjene som en kode, en som vil holde kommunikasjon trygg selv fra kvantedatamaskiner - maskiner som er i stand til å bryte gjennom klassiske krypteringsteknikker.
Men hvorfor stoppe ved to partikler? I teorien er det ingen øvre grense for hvor mange partikler som kan dele en sammenfiltret tilstand. I flere tiår har teoretiske fysikere forestilt seg treveis, fireveis, til og med 100-veis kvanteforbindelser - den typen ting som ville tillate et fullstendig distribuert kvantebeskyttet internett. Nå har et laboratorium i Kina oppnådd det som ser ut til å være ikke-lokal sammenfiltring mellom tre partikler samtidig, noe som potensielt øker styrken til kvantekryptografi og mulighetene for kvantenettverk generelt.
"Topartiers ikke-lokalitet er gal nok som det er," sa Peter Bierhorst, en kvanteinformasjonsteoretiker ved University of New Orleans. "Men det viser seg at kvantemekanikk kan gjøre ting som til og med går utover det når du har tre parter."
Fysikere har viklet inn mer enn to partikler tidligere. Rekorden er et sted mellom 14 partikler og 15 billioner, avhengig av hvem du spør. Men disse var bare over korte avstander, på det meste bare noen centimeter fra hverandre. For å gjøre flerpartiforviklinger nyttig for kryptografi, må forskere gå utover enkel sammenfiltring og demonstrere ikke-lokalitet - "en høy bar å oppnå," sa Elie Wolfe, en kvanteteoretiker ved Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada.
Nøkkelen til å bevise ikke-lokalitet er å teste om egenskapene til den ene partikkelen stemmer overens med egenskapene til den andre - kjennetegnet på sammenfiltring - når de er langt nok fra hverandre til at ingenting annet kan forårsake effektene. For eksempel kan en partikkel som fortsatt er fysisk nær sin sammenfiltrede tvilling sende ut stråling som påvirker den andre. Men hvis de er en kilometer fra hverandre og målt praktisk talt øyeblikkelig, er de sannsynligvis bare knyttet sammen av sammenfiltring. Eksperimentørene bruker et sett med ligninger kalt Bell ulikheter for å utelukke alle andre forklaringer på partiklenes sammenkoblede egenskaper.
Med tre partikler er prosessen med å bevise ikke-lokalitet lik, men det er flere muligheter for å utelukke. Dette ballonger kompleksiteten til både målingene og de matematiske bøylene som forskerne må hoppe gjennom for å bevise det ikke-lokale forholdet mellom de tre partiklene. "Du må komme opp med en kreativ måte å nærme deg det på," sa Bierhorst - og ha teknologien til å skape de riktige forholdene i laboratoriet.
I resultater publisert i august tok et team i Hefei, Kina, et avgjørende sprang fremover. Først, ved å skyte lasere gjennom en spesiell type krystall, de opphopede tre fotoner og plasserte dem i forskjellige områder av forskningsanlegget, hundrevis av meter fra hverandre. Deretter målte de samtidig en tilfeldig egenskap for hvert foton. Forskerne analyserte målingene og fant at forholdet mellom de tre partiklene ble best forklart med treveis kvante-ikke-lokalitet. Det var den mest omfattende demonstrasjonen av treveis ikke-lokalitet til dags dato.
Teknisk sett er det fortsatt en liten sjanse for at noe annet forårsaket resultatene. "Vi har fortsatt noen åpne smutthull," sa Xuemei Gu, en av hovedforfatterne av studien. Men ved å separere partiklene klarte de å utelukke den mest grelle alternative forklaringen på dataene deres: fysisk nærhet.
Forfatterne baserte også eksperimentet sitt på en ny, strengere definisjon av treveis ikke-lokalitet som har fått gjennomslag de siste årene. Mens tidligere eksperimenter tillot samarbeid mellom enhetene som målte fotonene, kunne ikke Gus tre enheter kommunisere. I stedet gjorde de tilfeldige målinger av partiklene - en begrensning som ville være nyttig i kryptografiske scenarier der enhver kommunikasjon kan bli kompromittert, sa Renato Renner, en kvantefysiker ved Swiss Federal Institute of Technology Zürich. (Ved bruk av det eldre paradigmet, et kanadisk team demonstrert treveis ikke-lokalitet på avstand i 2014.)
Nå som forskere som følger den nye definisjonen har lykkes med å vikle inn partikler så langt fra hverandre, kan de fokusere på å utvide avstanden ytterligere.
"Det er et viktig springbrett mot å gjøre eksperimenter på lengre avstander, i større skala," sa Saikat Guha, en kvanteinformasjonsteoretiker ved University of Arizona.
Mest direkte kan denne teknologien drive mer ekspansiv kvantenøkkeldistribusjon, sa Renner. Hvis du bruker sammenfiltrede partikler som nøkkelen til kryptering, kan de samme Bell-ulikhetene som fysikere bruker for å teste for ikke-lokalitet sikre at hemmeligheten din er helt sikker. Selv om enheten du bruker til å sende eller motta en melding blir skadelig manipulert av din verste fiende, vil de ikke kunne bestemme kvantenøkkelen din. Disse hemmelighetene forblir mellom deg og den som har den andre sammenfiltrede partikkelen.
Introduksjon
Kvantenøkkeldistribusjon er "det folk er begeistret for," sa Renner. I fjor, tre separate grupper demonstrerte protokollen i laboratoriet, men fortsatt i liten skala. Det er derfor treveis ikke-lokalitet vil være så viktig. "Du har i prinsippet mye mer kryptografisk kraft," fordi disse tre-veis forbindelsene ikke kan simuleres ved å flette sammen noen få to-veis lenker.
"Det er et fundamentalt nytt nivå av fenomener," sa Bierhorst, en som kan utvide enhetsuavhengig kryptografi fra grunnleggende toveiskommunikasjon til et helt nettverk av hemmelige delere.
Foruten kryptografi åpner flerpartssammenfiltring også muligheter for andre typer kvantenettverk. Forskere som Guha jobber med en kvanteinternett, som kan koble sammen kvantedatamaskiner slik det vanlige internett kobler vanlige enheter. Dette systemet vil bringe sammen datakraften til mange kvanteenheter ved å koble millioner av partikler med varierende nivåer av sammenfiltring over varierende avstander. Vi har alle de individuelle byggeklossene for et slikt system, sa Guha, men å sette det sammen "er en stor, stor ingeniørutfordring." Med dette målet i tankene har forskere i Nederland lyktes ved å vikle inn tre partikler i et nettverk som spenner over to separate laboratorier - men i motsetning til Gus team, var de ikke fokusert på å demonstrere ikke-lokalitet.
Dette arbeidet med treveis forviklinger startet som "bare et interessant fenomen," sa Bierhorst. Men "når du har noe som kvantemekanikk kan gjøre som det er umulig å gjøre på annen måte, vil det åpne opp alle slags nye teknologiske muligheter som kan utnyttes på uforutsette måter."
Foreløpig har noen få laboratorier demonstrert fireveis ikke-lokalitet mellom partikler som er veldig nær hverandre. "Disse eksperimentene er ganske spekulative på dette tidspunktet. Du må gjøre mange antagelser, sa Bierhorst.
Treveiseksperimentene er fortsatt avhengige av noen forutsetninger også. Nobelprisvinnerne brukte et halvt århundre på å utelukke disse smutthullene i deres toveiseksperimenter, og lyktes til slutt i 2017. Men vi har kommet langt siden den gang teknologisk, sa Renner.
"Det som [tok] tiår før vil nå skje om et år eller så," sa han.
