Введение
Этот месяц, трое ученых получили Нобелевскую премию по физике за их работу, доказывающую одну из самых противоречивых, но последовательных реалий квантового мира. Они показали, что две запутанные квантовые частицы следует рассматривать как единую систему — их состояния неразрывно переплетены друг с другом — даже если частицы разделены большими расстояниями. На практике это явление «нелокальности» означает, что на систему, которая находится перед вами, может мгновенно повлиять что-то, что находится за тысячи миль.
Запутанность и нелокальность позволяют ученым-компьютерщикам создавать коды, которые невозможно взломать. В методе, известном как аппаратно-независимое распределение квантовых ключей, пара частиц запутывается, а затем распределяется между двумя людьми. Общие свойства частиц теперь могут служить кодом, который обеспечит безопасность связи даже с квантовыми компьютерами — машинами, способными взломать классические методы шифрования.
Но зачем останавливаться на двух частицах? Теоретически не существует верхнего предела количества частиц, которые могут находиться в запутанном состоянии. В течение десятилетий физики-теоретики представляли себе трехсторонние, четырехсторонние и даже 100-сторонние квантовые соединения — такие вещи, которые позволили бы полностью распределенный квантово-защищенный Интернет. Теперь лаборатория в Китае добилась того, что кажется нелокальной запутанностью между тремя частицами одновременно, что потенциально повышает силу квантовой криптографии и возможности квантовых сетей в целом.
«Двухпартийная нелокальность и так достаточно безумна, — сказал Питер Бирхорст, теоретик квантовой информации из Университета Нового Орлеана. «Но оказывается, что квантовая механика может делать вещи, которые даже выходят за рамки этого, когда у вас есть три стороны».
Физики уже запутывали более двух частиц. Запись где-то между 14 частиц и 15 трлн, в зависимости от того, кого вы спросите. Но они были только на коротких расстояниях, максимум в нескольких дюймах друг от друга. Чтобы сделать многостороннюю запутанность полезной для криптографии, ученым необходимо выйти за рамки простой запутанности и продемонстрировать нелокальность — «высокая планка для достижения», — сказал он. Эли Вульф, квантовый теоретик из Периметрового института теоретической физики в Ватерлоо, Канада.
Ключом к доказательству нелокальности является проверка того, совпадают ли свойства одной частицы со свойствами другой — признак запутанности — когда они находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы ничто другое не могло вызвать эффекты. Например, частица, которая все еще находится физически близко к своему запутанному близнецу, может излучать излучение, воздействующее на другую частицу. Но если они находятся на расстоянии мили друг от друга и измеряются практически мгновенно, то, скорее всего, они связаны только запутыванием. Экспериментаторы используют набор уравнений, называемый Неравенства Белла чтобы исключить все другие объяснения связанных свойств частиц.
С тремя частицами процесс доказательства нелокальности аналогичен, но есть больше возможностей для исключения. Это раздувает сложность как измерений, так и математических обручей, через которые ученые должны прыгнуть, чтобы доказать нелокальную взаимосвязь трех частиц. «Вы должны придумать творческий подход к этому», — сказал Бирхорст, — и иметь технологию для создания нужных условий в лаборатории.
Согласно результатам, опубликованным в августе, команда из Хэфэя, Китай, сделала решающий шаг вперед. Во-первых, стреляя лазерами через особый тип кристалла, они запутанный три фотона и поместил их в разные части исследовательского центра, на расстоянии сотен метров друг от друга. Затем они одновременно измерили случайное свойство каждого фотона. Исследователи проанализировали измерения и обнаружили, что связь между тремя частицами лучше всего объясняется трехсторонней квантовой нелокальностью. На сегодняшний день это была наиболее полная демонстрация трехсторонней нелокальности.
Технически остается небольшая вероятность того, что результаты были вызваны чем-то другим. «У нас все еще есть некоторые открытые лазейки», — сказал Сюэмэй Гу, один из ведущих авторов исследования. Но, разделив частицы, они смогли исключить наиболее вопиющее альтернативное объяснение своих данных: физическую близость.
Авторы также основывали свой эксперимент на новом, более строгое определение трехсторонней нелокальности, которая набирает обороты в последние несколько лет. В то время как прошлые эксперименты допускали взаимодействие между устройствами, которые измеряли фотоны, три устройства Гу не могли обмениваться данными. Вместо этого они произвели случайные измерения частиц — ограничение, которое было бы полезно в криптографических сценариях, где любая связь может быть скомпрометирована. Ренато Реннер, квантовый физик из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. (Используя старую парадигму, канадская команда убивают трехсторонняя нелокальность на расстоянии в 2014 г.)
Теперь, когда исследователи, придерживающиеся нового определения, успешно запутали частицы так далеко друг от друга, они могут сосредоточиться на еще большем увеличении расстояния.
«Это важный шаг к проведению более масштабных экспериментов на больших расстояниях», — сказал он. Сайкат Гуха, теоретик квантовой информации из Аризонского университета.
По словам Реннера, эта технология может обеспечить более широкое распространение квантовых ключей. Если вы используете запутанные частицы в качестве ключа к шифрованию, те же самые неравенства Белла, которые физики используют для проверки нелокальности, могут гарантировать полную безопасность вашего секрета. Тогда, даже если ваш злейший враг злонамеренно манипулирует устройством, которое вы используете для отправки или получения сообщения, он не сможет определить ваш квантовый ключ. Эти секреты остаются между вами и тем, у кого есть другая запутанная частица.
Введение
Квантовое распределение ключей — это «то, что волнует людей», — сказал Реннер. Прошедший год, три отдельные группы продемонстрировал протокол в лаборатории, хотя и в небольшом масштабе. Вот почему трехсторонняя нелокальность будет так важна. «В принципе у вас гораздо больше криптографической мощности», потому что эти трехсторонние соединения нельзя смоделировать, объединив несколько двусторонних соединений.
«Это принципиально новый уровень явлений, — сказал Бирхорст, — тот, который может расширить аппаратно-независимую криптографию от простой двусторонней связи до целой сети участников обмена секретами».
Помимо криптографии, многосторонняя запутанность также открывает возможности для других типов квантовых сетей. Такие исследователи, как Гуха, работают над квантовый интернет, который может связывать квантовые компьютеры так же, как обычный интернет соединяет обычные устройства. Эта система объединит вычислительную мощность многих квантовых устройств, соединяя миллионы частиц с различными уровнями запутанности на разных расстояниях. У нас есть все отдельные строительные блоки для такой системы, сказал Гуха, но ее сборка «является огромной, огромной инженерной задачей». С этой целью ученые в Нидерландах удалось в запутывании трех частиц в сети, охватывающей две отдельные лаборатории — хотя, в отличие от команды Гу, они не были сосредоточены на демонстрации нелокальности.
Эта работа над трехсторонней запутанностью началась как «просто интересное явление», — сказал Бирхорст. Но «когда у вас есть что-то, что квантовая механика может сделать, что невозможно сделать иначе, это откроет всевозможные новые технологические возможности, которые можно использовать непредвиденными способами».
На данный момент несколько лабораторий продемонстрировали четырехстороннюю нелокальность между частицами, которые находятся очень близко друг к другу. «На данный момент эти эксперименты довольно спекулятивны. Вы должны сделать много предположений», — сказал Бирхорст.
Трехсторонние эксперименты также основаны на некоторых предположениях. Нобелевские лауреаты потратили полвека на устранение этих лазеек в своих двусторонних экспериментах, и наконец добились успеха в 2017 году. Но с тех пор мы прошли долгий технологический путь, сказал Реннер.
«То, что [занимало] десятилетия назад, теперь произойдет примерно через год», — сказал он.
