Wprowadzenie
Ten miesiąc, trzech naukowców zdobyło Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za ich pracę dowodzącą jednej z najbardziej sprzecznych z intuicją, ale istotnych rzeczywistości świata kwantowego. Wykazali, że dwie splątane cząstki kwantowe muszą być uważane za jeden układ — ich stany są ze sobą nieubłaganie splecione — nawet jeśli cząstki są oddzielone dużymi odległościami. W praktyce to zjawisko „nielokalizacji” oznacza, że system, który masz przed sobą, może być natychmiast dotknięty czymś, co znajduje się tysiące mil od nas.
Splątanie i nielokalność umożliwiają informatykom tworzenie niemożliwych do złamania kodów. W technice znanej jako niezależna od urządzenia dystrybucja klucza kwantowego, para cząstek jest splątana, a następnie rozprowadzana między dwie osoby. Wspólne właściwości cząstek mogą teraz służyć jako kod, który zapewni bezpieczną komunikację nawet z komputerów kwantowych — maszyn zdolnych do przełamania klasycznych technik szyfrowania.
Ale dlaczego poprzestać na dwóch cząstkach? Teoretycznie nie ma górnej granicy tego, ile cząstek może dzielić stan splątania. Przez dziesięciolecia fizycy teoretyczni wyobrażali sobie trójdrożne, czterokierunkowe, a nawet 100-kierunkowe połączenia kwantowe – coś, co umożliwiłoby w pełni rozproszony, chroniony kwantowo internet. Teraz laboratorium w Chinach osiągnęło coś, co wydaje się być nielokalnym splątaniem między trzema cząstkami jednocześnie, potencjalnie zwiększając siłę kryptografii kwantowej i ogólnie możliwości sieci kwantowych.
„Dwustronna nielokalizacja jest wystarczająco szalona” – powiedział Piotra Bierhorsta, teoretyk informacji kwantowej na Uniwersytecie w Nowym Orleanie. „Okazuje się jednak, że mechanika kwantowa może robić rzeczy, które wykraczają nawet poza to, gdy masz trzy imprezy”.
Fizycy splątali już więcej niż dwie cząstki. Rekord jest gdzieś pomiędzy 14 cząstek i 15 bilionów, w zależności od tego, kogo zapytasz. Ale były to tylko krótkie odległości, najwyżej centymetry. Aby splątanie wielostronne było przydatne w kryptografii, naukowcy muszą wyjść poza proste splątanie i zademonstrować nielokalność — „wysoką poprzeczkę do osiągnięcia” — powiedział. Elie Wolfe'a, teoretyk kwantowy w Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie.
Kluczem do udowodnienia nielokalności jest sprawdzenie, czy właściwości jednej cząstki pokrywają się z właściwościami drugiej — cecha charakterystyczna splątania — gdy są na tyle daleko od siebie, że nic innego nie może wywołać skutków. Na przykład cząsteczka, która nadal jest fizycznie blisko swojej splątanej bliźniaczki, może emitować promieniowanie, które wpływa na drugą. Ale jeśli są od siebie oddalone o milę i mierzone praktycznie natychmiast, to prawdopodobnie łączy je tylko splątanie. Eksperymentatorzy używają zestawu równań o nazwie Nierówności dzwonowe aby wykluczyć wszystkie inne wyjaśnienia właściwości połączonych cząstek.
W przypadku trzech cząstek proces dowodzenia nielokalności jest podobny, ale istnieje więcej możliwości wykluczenia. To zwiększa złożoność zarówno pomiarów, jak i matematycznych obręczy, przez które naukowcy muszą przeskoczyć, aby udowodnić nielokalny związek trzech cząstek. „Musisz wymyślić kreatywny sposób, aby do tego podejść” – powiedział Bierhorst – i mieć technologię, aby stworzyć odpowiednie warunki w laboratorium.
W opublikowanych w sierpniu wynikach zespół z Hefei w Chinach wykonał decydujący krok naprzód. Po pierwsze, strzelając laserami przez specjalny rodzaj kryształu, uwikłany trzy fotony i umieścił je w różnych miejscach ośrodka badawczego, setki metrów od siebie. Następnie mierzyli jednocześnie losową właściwość każdego fotonu. Naukowcy przeanalizowali pomiary i stwierdzili, że związek między trzema cząstkami najlepiej wyjaśnia trójdrożna nielokalność kwantowa. Była to jak dotąd najbardziej kompleksowa demonstracja trójstronnej nielokalności.
Z technicznego punktu widzenia pozostaje niewielka szansa, że coś innego spowodowało wyniki. „Nadal mamy kilka otwartych luk”, powiedział Xuemei Gu, jeden z głównych autorów badania. Ale rozdzielając cząstki, byli w stanie wykluczyć najbardziej jaskrawe alternatywne wyjaśnienie swoich danych: fizyczną bliskość.
Autorzy oparli również swój eksperyment na nowym, ściślejsza definicja trójstronnej nielokalności, która zyskuje na popularności w ciągu ostatnich kilku lat. Podczas gdy wcześniejsze eksperymenty pozwoliły na współpracę między urządzeniami mierzącymi fotony, trzy urządzenia Gu nie mogły się komunikować. Zamiast tego wykonali losowe pomiary cząstek – ograniczenie, które byłoby przydatne w scenariuszach kryptograficznych, w których jakakolwiek komunikacja może zostać naruszona, powiedział Renata Rennera, fizyk kwantowy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu. (Używając starszego paradygmatu, zespół kanadyjski wykazać trójstronna nielokalność na odległość w 2014 r.)
Teraz, gdy badacze podążający za nową definicją z powodzeniem splątali cząstki tak daleko od siebie, mogą skupić się na jeszcze większym zwiększaniu odległości.
„Jest to ważny krok w kierunku przeprowadzania eksperymentów na większą skalę” – powiedział Saikat Guha, teoretyk informacji kwantowej z University of Arizona.
Mówiąc najprościej, ta technologia może zasilać bardziej ekspansywną dystrybucję kluczy kwantowych, powiedział Renner. Jeśli użyjesz splątanych cząstek jako klucza do szyfrowania, te same nierówności Bella, których fizycy używają do testowania nielokalności, mogą zapewnić, że twój sekret jest całkowicie bezpieczny. Wtedy nawet jeśli urządzenie, którego używasz do wysyłania lub odbierania wiadomości, zostanie złośliwie zmanipulowane przez twojego najgorszego wroga, nie będą oni w stanie określić twojego klucza kwantowego. Te sekrety pozostają między tobą a tym, kto ma drugą splątaną cząstkę.
Wprowadzenie
Dystrybucja kluczy kwantowych to „to, czym ludzie są podekscytowani” – powiedział Renner. Ostatni rok, trzy oddzielne grupy zademonstrował protokół w laboratorium, choć nadal na małą skalę. Dlatego tak ważna będzie nielokalność trójstronna. „Masz w zasadzie znacznie większą moc kryptograficzną”, ponieważ tych trójstronnych połączeń nie można symulować przez sklejenie kilku łączy dwukierunkowych.
„To zupełnie nowy poziom zjawisk”, powiedział Bierhorst, który może rozszerzyć niezależną od urządzeń kryptografię z podstawowej, dwukierunkowej komunikacji do całej sieci osób dzielących się sekretami.
Oprócz kryptografii, wielostronne splątanie otwiera również możliwości dla innych typów sieci kwantowych. Naukowcy tacy jak Guha pracują nad Internet kwantowy, który może łączyć komputery kwantowe tak, jak zwykły internet łączy zwykłe urządzenia. System ten zgromadziłby moc obliczeniową wielu urządzeń kwantowych, łącząc miliony cząstek o różnym stopniu splątania na różnych odległościach. Mamy wszystkie indywidualne elementy składowe takiego systemu, powiedział Guha, ale złożenie go „jest ogromnym, ogromnym wyzwaniem inżynieryjnym”. Mając na uwadze ten cel, naukowcy w Holandii mają udało się w splątaniu trzech cząstek w sieć obejmującą dwa oddzielne laboratoria — choć w przeciwieństwie do zespołu Gu, nie skupiali się na wykazywaniu nielokalności.
Ta praca nad splątaniem trójstronnym rozpoczęła się jako „tylko interesujące zjawisko”, powiedział Bierhorst. Ale „kiedy masz coś, co mechanika kwantowa może zrobić, a czego nie można zrobić inaczej, otworzy to wszelkiego rodzaju nowe możliwości technologiczne, które można wykorzystać w nieprzewidziany sposób”.
Na razie kilka laboratoriów wykazało czterokierunkową nielokalność między cząstkami, które są bardzo blisko siebie. „Te eksperymenty są w tym momencie dość spekulacyjne. Trzeba poczynić wiele założeń” – powiedział Bierhorst.
Eksperymenty trójstronne nadal również opierają się na pewnych założeniach. Laureaci Nagrody Nobla spędzili pół wieku wykluczając te luki w swoich dwukierunkowych eksperymentach, w końcu odnieśli sukces w 2017 roku. Ale od tego czasu przeszliśmy długą drogę technologiczną, powiedział Renner.
„To, co [zajęło] dekady wcześniej, stanie się teraz za rok” – powiedział.
