Beskrivning
Denna månad, tre forskare vann Nobelpriset i fysik för deras arbete som bevisar en av de mest kontraintuitiva men ändå följdriktiga verkligheterna i kvantvärlden. De visade att två intrasslade kvantpartiklar måste betraktas som ett enda system - deras tillstånd obönhörligt sammanflätade med varandra - även om partiklarna är åtskilda av stora avstånd. I praktiken innebär detta fenomen med "icke-lokalitet" att systemet du har framför dig kan omedelbart påverkas av något som är tusentals mil bort.
Entanglement och icke-lokalitet gör det möjligt för datavetare att skapa oknäckbara koder. I en teknik som kallas enhetsoberoende kvantnyckelfördelning, intrasslas ett par partiklar och distribueras sedan till två personer. Partiklarnas delade egenskaper kan nu fungera som en kod, en som kommer att hålla kommunikation säker även från kvantdatorer - maskiner som kan bryta igenom klassiska krypteringstekniker.
Men varför stanna vid två partiklar? I teorin finns det ingen övre gräns för hur många partiklar som kan dela ett intrasslat tillstånd. I decennier har teoretiska fysiker föreställt sig trevägs, fyrvägs, till och med 100-vägs kvantkopplingar - den sortens sak som skulle tillåta ett fullt distribuerat kvantskyddat internet. Nu har ett labb i Kina uppnått vad som verkar vara icke-lokal intrassling mellan tre partiklar samtidigt, vilket potentiellt ökar styrkan hos kvantkryptografi och möjligheterna för kvantnätverk i allmänhet.
"Tvåparts icke-lokalitet är galet nog som det är," sa Peter Bierhorst, en kvantinformationsteoretiker vid University of New Orleans. "Men det visar sig att kvantmekanik kan göra saker som till och med går utöver det när du har tre parter."
Fysiker har intrasslat mer än två partiklar tidigare. Rekordet ligger någonstans däremellan 14 partiklar och 15 biljoner, beroende på vem du frågar. Men dessa var bara över korta avstånd, högst bara några centimeter från varandra. För att göra flerpartsintrassling användbar för kryptografi måste forskare gå längre än enkel intrassling och demonstrera icke-lokalitet - "en hög nivå att uppnå", sa Elie Wolfe, en kvantteoretiker vid Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Kanada.
Nyckeln till att bevisa icke-lokalitet är att testa om egenskaperna hos en partikel stämmer överens med egenskaperna hos den andra - kännetecknet för intrassling - när de är tillräckligt långt ifrån varandra att inget annat kan orsaka effekterna. Till exempel kan en partikel som fortfarande är fysiskt nära sin intrasslade tvilling sända ut strålning som påverkar den andra. Men om de är en mil ifrån varandra och mäts praktiskt taget omedelbart, så är de sannolikt bara sammanlänkade genom intrassling. Experimentörerna använder en uppsättning ekvationer som kallas Bell ojämlikheter för att utesluta alla andra förklaringar till partiklarnas sammanlänkade egenskaper.
Med tre partiklar är processen att bevisa icke-lokalitet liknande, men det finns fler möjligheter att utesluta. Detta ballonger komplexiteten i både mätningarna och de matematiska ringarna som forskarna måste hoppa igenom för att bevisa det icke-lokala förhållandet mellan de tre partiklarna. "Du måste komma på ett kreativt sätt att närma sig det," sa Bierhorst - och ha tekniken för att skapa precis rätt förutsättningar i labbet.
I resultat som publicerades i augusti gjorde ett team i Hefei, Kina, ett avgörande steg framåt. Först, genom att skjuta lasrar genom en speciell typ av kristall, de intrasslad tre fotoner och placerade dem i olika områden av forskningsanläggningen, hundratals meter från varandra. Sedan mätte de samtidigt en slumpmässig egenskap för varje foton. Forskarna analyserade mätningarna och fann att förhållandet mellan de tre partiklarna bäst förklaras av trevägs kvant-icke-lokalitet. Det var den mest omfattande demonstrationen av trevägs icke-lokalitet hittills.
Tekniskt sett finns det fortfarande en liten chans att något annat orsakade resultaten. "Vi har fortfarande några öppna kryphål," sa Xuemei Gu, en av studiens huvudförfattare. Men genom att separera partiklarna kunde de utesluta den mest iögonfallande alternativa förklaringen till deras data: fysisk närhet.
Författarna baserade också sitt experiment på en ny, striktare definition av trevägs icke-lokalitet som har vunnit dragkraft under de senaste åren. Medan tidigare experiment möjliggjorde samarbete mellan enheterna som mätte fotonerna, kunde Gus tre enheter inte kommunicera. Istället gjorde de slumpmässiga mätningar av partiklarna - en begränsning som skulle vara användbar i kryptografiska scenarier där all kommunikation kan äventyras, sa Renato Renner, en kvantfysiker vid Swiss Federal Institute of Technology Zürich. (Med det äldre paradigmet, ett kanadensiskt team demonstreras trevägs icke-lokalitet på distans 2014.)
Nu när forskare som följer den nya definitionen framgångsrikt har intrasslat partiklar så långt ifrån varandra, kan de fokusera på att utöka avståndet ytterligare.
"Det är en viktig språngbräda mot att göra experiment på längre avstånd och i större skala," sa Saikat Guha, en kvantinformationsteoretiker vid University of Arizona.
Mest direkt kan denna teknik driva mer expansiv kvantnyckeldistribution, sa Renner. Om du använder intrasslade partiklar som nyckeln till kryptering, kan samma Bell-ojämlikheter som fysiker använder för att testa för icke-lokalitet säkerställa att din hemlighet är helt säker. Sedan även om enheten du använder för att skicka eller ta emot ett meddelande manipuleras av din värsta fiende, kommer de inte att kunna avgöra din kvantnyckel. Dessa hemligheter stannar mellan dig och den som har den andra intrasslade partikeln.
Beskrivning
Kvantnyckeldistribution är "det som folk är entusiastiska över", sa Renner. Förra året, tre separata grupper demonstrerade protokollet i labbet, men fortfarande i liten skala. Det är därför trevägs icke-lokalitet kommer att vara så viktigt. "Du har i princip mycket mer kryptografisk kraft," eftersom dessa trevägsförbindelser inte kan simuleras genom att sätta ihop några tvåvägslänkar.
"Det är en fundamentalt ny nivå av fenomen," sa Bierhorst, en som kan expandera enhetsoberoende kryptografi från grundläggande, tvåvägskommunikation till ett helt nätverk av hemliga delare.
Förutom kryptografi öppnar flerpartsintrassling också möjligheter för andra typer av kvantnätverk. Forskare som Guha arbetar med en kvantinternet, som skulle kunna koppla ihop kvantdatorer på det sätt som det vanliga internet kopplar ihop vanliga enheter. Detta system skulle sammanföra beräkningskraften hos många kvantenheter genom att koppla miljontals partiklar med olika nivåer av intrassling över olika avstånd. Vi har alla individuella byggstenar för ett sådant system, sa Guha, men att montera det "är en enorm, enorm teknisk utmaning." Med detta mål i åtanke har forskare i Nederländerna lyckades genom att trassla in tre partiklar i ett nätverk som sträcker sig över två separata laboratorier - även om de till skillnad från Gus team inte fokuserade på att demonstrera icke-lokalitet.
Detta arbete med trevägsförveckling började som "bara ett intressant fenomen", sa Bierhorst. Men "när du har något som kvantmekaniken kan göra som det är omöjligt att göra på annat sätt, kommer det att öppna upp alla möjliga nya tekniska möjligheter som kan utnyttjas på oförutsedda sätt."
För nu har några laboratorier visat fyrvägs icke-lokalitet mellan partiklar som är mycket nära varandra. "De här experimenten är ganska spekulativa vid det här laget. Man måste göra många antaganden”, sa Bierhorst.
Trevägsexperimenten förlitar sig fortfarande på vissa antaganden också. Nobelpristagarna ägnade ett halvt sekel åt att utesluta dessa kryphål i sina tvåvägsexperiment och lyckades äntligen 2017. Men vi har kommit långt sedan dess tekniskt sett, sa Renner.
"Det som [tog] decennier innan kommer nu att hända om ett år eller så," sa han.
