Introducere
În această lună, trei oameni de știință au câștigat premiul Nobel pentru fizică pentru că munca lor demonstrează una dintre cele mai contraintuitive, dar totuși semnificative realități ale lumii cuantice. Ei au arătat că două particule cuantice încurcate trebuie considerate un singur sistem - stările lor se împletesc inexorabil între ele - chiar dacă particulele sunt separate la distanțe mari. În practică, acest fenomen de „nonlocalitate” înseamnă că sistemul pe care îl ai în fața ta poate fi afectat instantaneu de ceva care se află la mii de mile distanță.
Încurcarea și non-localitatea le permit oamenilor de știință să creeze coduri de nedescris. Într-o tehnică cunoscută sub numele de distribuție a cheilor cuantice independentă de dispozitiv, o pereche de particule este încurcată și apoi distribuită la două persoane. Proprietățile partajate ale particulelor pot servi acum ca un cod, unul care va menține comunicațiile în siguranță chiar și de la computerele cuantice - mașini capabile să depășească tehnicile clasice de criptare.
Dar de ce să ne oprim la două particule? În teorie, nu există o limită superioară a câte particule pot împărtăși o stare încurcată. Timp de decenii, fizicienii teoreticieni și-au imaginat conexiuni cuantice în trei, patru căi, chiar și 100 de căi - genul de lucru care ar permite un internet protejat cuantic complet distribuit. Acum, un laborator din China a realizat ceea ce pare a fi o încurcare nelocală între trei particule simultan, potențial sporind puterea criptografiei cuantice și posibilitățile pentru rețelele cuantice în general.
„Nonlocalitatea cu două părți este destul de nebună așa cum este”, a spus Peter Bierhorst, un teoretician al informației cuantice la Universitatea din New Orleans. „Dar se dovedește că mecanica cuantică poate face lucruri care chiar depășesc asta atunci când ai trei părți.”
Fizicienii au încurcat mai mult de două particule înainte. Recordul este undeva între 14 particule și 15 trilioane, în funcție de cine întrebi. Dar acestea au fost doar pe distanțe scurte, la doar câțiva centimetri una dintre ele. Pentru a face încrucișarea cu mai multe părți utilă pentru criptografie, oamenii de știință trebuie să meargă dincolo de simpla încurcare și să demonstreze nonlocalitatea - „un standard ridicat de atins”, a spus Elie Wolfe, un teoretician cuantic la Institutul Perimetru pentru Fizică Teoretică din Waterloo, Canada.
Cheia pentru a demonstra non-localitatea este de a testa dacă proprietățile unei particule se potrivesc cu proprietățile celeilalte - semnul distinctiv al încurcăturii - odată ce sunt suficient de departe unul de celălalt încât nimic altceva nu ar putea provoca efectele. De exemplu, o particulă care este încă aproape fizic de geamănul său încâlcit ar putea emite radiații care o afectează pe cealaltă. Dar dacă sunt la o milă unul de celălalt și sunt măsurați practic instantaneu, atunci ele sunt probabil legate doar prin încurcare. Experimentatorii folosesc un set de ecuații numit Inegalități de tip clopot pentru a exclude toate celelalte explicații pentru proprietățile legate ale particulelor.
Cu trei particule, procesul de demonstrare a nonlocalității este similar, dar există mai multe posibilități de a exclude. Acest lucru pune în evidență complexitatea atât a măsurătorilor, cât și a cercurilor matematice prin care oamenii de știință trebuie să treacă pentru a demonstra relația nelocală a celor trei particule. „Trebuie să găsești un mod creativ de a-l aborda”, a spus Bierhorst – și să ai tehnologia pentru a crea condițiile potrivite în laborator.
În rezultatele publicate în august, o echipă din Hefei, China, a făcut un salt înainte crucial. În primul rând, prin tragerea cu lasere printr-un tip special de cristal, ei obscur trei fotoni și i-a plasat în diferite zone ale unității de cercetare, la sute de metri unul de celălalt. Apoi au măsurat simultan o proprietate aleatorie a fiecărui foton. Cercetătorii au analizat măsurătorile și au descoperit că relația dintre cele trei particule a fost cel mai bine explicată prin nonlocalitatea cuantică în trei căi. A fost cea mai cuprinzătoare demonstrație de nonlocalitate cu trei căi până în prezent.
Din punct de vedere tehnic, rămâne o mică șansă ca altceva să fi cauzat rezultatele. „Avem încă niște lacune deschise”, a spus Xuemei Gu, unul dintre autorii principali ai studiului. Dar, prin separarea particulelor, ei au reușit să excludă cea mai flagrantă explicație alternativă pentru datele lor: proximitatea fizică.
Autorii și-au bazat, de asemenea, experimentul pe un nou, definiție mai strictă de nonlocalitate cu trei căi care a câștigat acțiune în ultimii câțiva ani. În timp ce experimentele anterioare au permis cooperarea între dispozitivele care măsurau fotonii, cele trei dispozitive ale lui Gu nu au putut comunica. În schimb, au făcut măsurători aleatorii ale particulelor - o restricție care ar fi utilă în scenariile criptografice în care orice comunicare poate fi compromisă, a spus. Renato Renner, fizician cuantic la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Zurich. (Folosind paradigma mai veche, o echipă canadiană demonstrat nonlocalitate cu trei căi la distanță în 2014.)
Acum, că cercetătorii care urmează noua definiție au încurcat cu succes particule atât de departe, se pot concentra pe extinderea distanței și mai mult.
„Este o piatră de temelie importantă către realizarea de experimente pe distanțe mai mari, la scară mai mare”, a spus Saikat Guha, un teoretician al informației cuantice la Universitatea din Arizona.
Cel mai direct, această tehnologie poate alimenta o distribuție mai extinsă a cheilor cuantice, a spus Renner. Dacă utilizați particule încurcate ca cheie pentru criptare, aceleași inegalități Bell pe care fizicienii le folosesc pentru a testa nonlocalitatea vă pot asigura că secretul dvs. este complet sigur. Apoi, chiar dacă dispozitivul pe care îl utilizați pentru a trimite sau a primi un mesaj este manipulat în mod rău intenționat de cel mai rău inamic al tău, acesta nu va putea determina cheia ta cuantică. Aceste secrete rămân între tine și oricine are cealaltă particulă încâlcită.
Introducere
Distribuția cheilor cuantice este „lucru de care oamenii sunt încântați”, a spus Renner. Anul trecut, trei grupuri separate a demonstrat protocolul în laborator, deși încă la scară mică. De aceea, nonlocalitatea cu trei căi va fi atât de importantă. „Aveți, în principiu, mult mai multă putere criptografică”, deoarece aceste conexiuni cu trei căi nu pot fi simulate prin împletirea câtorva legături bidirecționale.
„Este un nivel fundamental nou de fenomene”, a spus Bierhorst, unul care ar putea extinde criptografia independentă de dispozitiv de la o comunicare de bază, bidirecțională, la o întreagă rețea de distribuitori de secrete.
Pe lângă criptografie, încrucișarea cu mai multe părți deschide și posibilități pentru alte tipuri de rețele cuantice. Cercetători precum Guha lucrează la o internet cuantic, care ar putea conecta computerele cuantice așa cum internetul obișnuit conectează dispozitivele obișnuite. Acest sistem ar reuni puterea de calcul a multor dispozitive cuantice prin conectarea a milioane de particule cu diferite niveluri de încurcare pe distanțe diferite. Avem toate elementele de bază individuale pentru un astfel de sistem, a spus Guha, dar asamblarea lui „este o provocare inginerească uriașă”. Având în vedere acest obiectiv, oamenii de știință din Țările de Jos au reușit în încurcarea a trei particule într-o rețea care se întinde pe două laboratoare separate - deși, spre deosebire de echipa lui Gu, acestea nu s-au concentrat pe demonstrarea non-localității.
Această lucrare privind încurcarea în trei căi a început ca „doar un fenomen interesant”, a spus Bierhorst. Dar „atunci când ai ceva ce mecanica cuantică poate face și care este imposibil de făcut altfel, asta va deschide tot felul de noi posibilități tehnologice care pot fi exploatate în moduri neprevăzute.”
Deocamdată, câteva laboratoare au demonstrat nelocalitatea în patru direcții între particulele care sunt foarte apropiate. „Aceste experimente sunt destul de speculative în acest moment. Trebuie să faci multe presupuneri”, a spus Bierhorst.
Experimentele cu trei căi se bazează încă pe unele presupuneri. Laureații Nobel au petrecut o jumătate de secol excluzând acele lacune în experimentele lor bidirecționale, reușind în sfârșit în 2017. Dar am parcurs un drum lung de atunci din punct de vedere tehnologic, a spus Renner.
„Ceea ce a durat cu zeci de ani înainte se va întâmpla acum peste un an și ceva”, a spus el.
