Predstavitev
Ta mesec trije znanstveniki so prejeli Nobelovo nagrado za fiziko za njihovo delo, ki dokazuje eno najbolj kontraintuitivnih, a posledičnih resničnosti kvantnega sveta. Pokazali so, da je treba dva zapletena kvantna delca obravnavati kot enoten sistem - njuni stanji sta neizogibno prepleteni drug z drugim - tudi če sta delca ločena z velikimi razdaljami. V praksi ta pojav »nelokalnosti« pomeni, da lahko na sistem, ki ga imate pred seboj, v trenutku vpliva nekaj, kar je tisoče milj stran.
Prepletenost in nelokalnost omogočata računalničarjem ustvarjanje kod, ki jih ni mogoče razbiti. V tehniki, znani kot od naprave neodvisna kvantna porazdelitev ključev, se par delcev zaplete in nato razdeli dvema osebama. Skupne lastnosti delcev lahko zdaj služijo kot koda, tista, ki bo ohranjala komunikacijo varno tudi pred kvantnimi računalniki – stroji, ki lahko prebijejo klasične tehnike šifriranja.
Toda zakaj bi se ustavili pri dveh delcih? V teoriji ni zgornje meje, koliko delcev si lahko deli zapleteno stanje. Desetletja so si teoretični fiziki predstavljali trismerne, štirismerne, celo 100-smerne kvantne povezave – nekaj, kar bi omogočilo popolnoma porazdeljen kvantno zaščiten internet. Zdaj je laboratorij na Kitajskem dosegel nekaj, kar se zdi nelokalno prepletanje med tremi delci hkrati, kar bi lahko povečalo moč kvantne kriptografije in možnosti za kvantna omrežja na splošno.
"Dvostranska nelokalnost je dovolj nora, kot je," je rekel Peter Bierhorst, teoretik kvantne informacije na Univerzi v New Orleansu. "Vendar se je izkazalo, da lahko kvantna mehanika naredi stvari, ki celo presegajo to, če imate tri stranke."
Fiziki so že prej zapletli več kot dva delca. Rekord je nekje vmes 14 delcev in 15 bilijona, odvisno od tega, koga vprašate. Toda ti so bili le na kratkih razdaljah, le nekaj centimetrov narazen. Da bi bila večstranska prepletenost uporabna za kriptografijo, morajo znanstveniki preseči preprosto prepletenost in dokazati nelokalnost - "visoko merilo, ki ga je treba doseči," je dejal Elie Wolfe, kvantni teoretik na Inštitutu za teoretično fiziko Perimeter v Waterlooju v Kanadi.
Ključ do dokazovanja nelokalnosti je preizkusiti, ali se lastnosti enega delca ujemajo z lastnostmi drugega - znak prepletenosti - ko sta dovolj oddaljena, da nič drugega ne more povzročiti učinkov. Na primer, delec, ki je še fizično blizu svojemu zapletenemu dvojčku, lahko oddaja sevanje, ki vpliva na drugega. Če pa sta oddaljena eno miljo in izmerjena praktično v trenutku, potem sta verjetno povezana le z zapletom. Eksperimentatorji uporabljajo niz enačb, imenovanih Zvončaste neenakosti da bi izključili vse druge razlage za lastnosti, povezane z delci.
Pri treh delcih je postopek dokazovanja nelokalnosti podoben, vendar obstaja več možnosti, ki jih je treba izključiti. To povečuje kompleksnost tako meritev kot matematičnih obročev, skozi katere morajo preskočiti znanstveniki, da bi dokazali nelokalno razmerje treh delcev. "Izmisliti moraš kreativen način, da se tega lotiš," je dejal Bierhorst - in imeti tehnologijo za ustvarjanje ravno pravšnjih pogojev v laboratoriju.
V rezultatih, objavljenih avgusta, je ekipa v Hefeiju na Kitajskem naredila ključni korak naprej. Prvič, s streljanjem laserjev skozi posebno vrsto kristala, so zaplete tri fotone in jih postavil v različna področja raziskovalnega objekta, na stotine metrov narazen. Nato so hkrati izmerili naključno lastnost vsakega fotona. Raziskovalci so analizirali meritve in ugotovili, da je razmerje med tremi delci najbolje pojasnjeno s trismerno kvantno nelokalnostjo. To je bila najobsežnejša predstavitev trismerne nelokalnosti doslej.
Tehnično gledano ostaja majhna verjetnost, da je rezultate povzročilo nekaj drugega. "Še vedno imamo nekaj odprtih vrzeli," je dejal Xuemei Gu, eden od vodilnih avtorjev študije. Toda z ločevanjem delcev so lahko izključili najbolj očitno alternativno razlago za svoje podatke: fizično bližino.
Avtorji so svoj poskus zasnovali tudi na novem, strožja opredelitev trosmerne nelokalnosti, ki je v zadnjih nekaj letih pridobivala na veljavi. Medtem ko so pretekli poskusi omogočali sodelovanje med napravami, ki so merile fotone, Gujeve tri naprave niso mogle komunicirati. Namesto tega so opravili naključne meritve delcev - omejitev, ki bi bila uporabna v kriptografskih scenarijih, kjer je lahko ogrožena kakršna koli komunikacija, je dejal Renato Renner, kvantni fizik na švicarskem zveznem inštitutu za tehnologijo v Zürichu. (Z uporabo starejše paradigme, kanadska ekipa Dokazano trismerna nelokalnost na daljavo v letu 2014.)
Zdaj, ko so raziskovalci, ki sledijo novi definiciji, uspešno zapletli delce tako daleč narazen, se lahko osredotočijo na še večje povečanje razdalje.
"To je pomembna odskočna deska k izvajanju obsežnejših poskusov na daljše razdalje," je dejal Saikat Guha, teoretik kvantne informacije na Univerzi v Arizoni.
Najbolj neposredno lahko ta tehnologija poganja obsežnejšo distribucijo kvantnih ključev, je dejal Renner. Če kot ključ do šifriranja uporabite zapletene delce, lahko iste Bellove neenakosti, ki jih fiziki uporabljajo za testiranje nelokalnosti, zagotovijo, da je vaša skrivnost popolnoma varna. Tudi če vaš najhujši sovražnik zlonamerno manipulira z napravo, ki jo uporabljate za pošiljanje ali prejemanje sporočil, ne bo mogel določiti vašega kvantnega ključa. Te skrivnosti ostanejo med vami in tistim, ki ima drugi zapleteni delec.
Predstavitev
Kvantna porazdelitev ključev je "stvar, nad katero so ljudje navdušeni," je dejal Renner. Lansko leto, tri ločene skupine demonstriral protokol v laboratoriju, čeprav še vedno v majhnem obsegu. Zato bo tristranska nelokalnost tako pomembna. "Načeloma imate veliko večjo kriptografsko moč," ker teh trismernih povezav ni mogoče simulirati s sestavljanjem nekaj dvosmernih povezav.
"Gre za popolnoma novo raven fenomena," je dejal Bierhorst, ki bi lahko razširil kriptografijo, neodvisno od naprave, z osnovne, dvosmerne komunikacije na celotno mrežo delilcev skrivnosti.
Poleg kriptografije večstransko prepletanje odpira možnosti tudi za druge vrste kvantnih omrežij. Raziskovalci, kot je Guha, delajo na kvantni internet, ki bi lahko povezal kvantne računalnike tako, kot običajni internet povezuje običajne naprave. Ta sistem bi združil računalniško moč številnih kvantnih naprav s povezovanjem milijonov delcev z različnimi stopnjami prepletenosti na različnih razdaljah. Imamo vse posamezne gradnike za tak sistem, je dejal Guha, vendar je njegovo sestavljanje "ogromen, velik inženirski izziv." S tem ciljem v mislih imajo nizozemski znanstveniki uspelo pri zapletanju treh delcev v mrežo, ki obsega dva ločena laboratorija - čeprav za razliko od Gujeve ekipe niso bili osredotočeni na dokazovanje nelokalnosti.
To delo o tristranskem prepletanju se je začelo kot "samo zanimiv pojav," je dejal Bierhorst. Toda "ko imate nekaj, kar lahko kvantna mehanika naredi, kar drugače ni mogoče storiti, bo to odprlo vse vrste novih tehnoloških možnosti, ki jih je mogoče izkoristiti na nepredvidene načine."
Za zdaj je nekaj laboratorijev pokazalo štirismerno nelokalnost med delci, ki so zelo blizu skupaj. »Ti poskusi so na tej točki precej špekulativni. Izdelati morate veliko predpostavk,« je dejal Bierhorst.
Tristranski poskusi še vedno temeljijo tudi na nekaterih predpostavkah. Nobelovi nagrajenci so porabili pol stoletja, da so izključili te vrzeli v svojih dvosmernih eksperimentih in končno uspeli leta 2017. Toda od takrat smo tehnološko daleč napredovali, je dejal Renner.
"Kar je [trajalo] desetletja prej, se bo zdaj zgodilo čez kakšno leto," je dejal.
