ผลลัพธ์การพัวพันใหม่บ่งบอกถึงรหัสควอนตัมที่ดีกว่า

ในเดือนนี้ นักวิทยาศาสตร์สามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ สำหรับผลงานของพวกเขาซึ่งพิสูจน์ให้เห็นความเป็นจริงที่ขัดกับสัญชาตญาณแต่เป็นผลสืบเนื่องมากที่สุดแห่งหนึ่งของโลกควอนตัม พวกเขาแสดงให้เห็นว่าอนุภาคควอนตัมที่พันกันสองตัวต้องถือเป็นระบบเดียว - สถานะของพวกมันเชื่อมโยงกันอย่างไม่ลดละ - แม้ว่าอนุภาคจะถูกแยกจากกันด้วยระยะทางที่ไกล ในทางปฏิบัติ ปรากฏการณ์ "ไม่อยู่ในท้องถิ่น" นี้หมายความว่าระบบที่คุณมีอยู่ตรงหน้าอาจได้รับผลกระทบจากบางสิ่งที่อยู่ห่างออกไปหลายพันไมล์ในทันที

ความยุ่งเหยิงและการไม่อยู่ในท้องถิ่นช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์สร้างรหัสที่ถอดรหัสไม่ได้ ในเทคนิคที่เรียกว่าการกระจายคีย์ควอนตัมที่ไม่ขึ้นกับอุปกรณ์ อนุภาคคู่หนึ่งจะพันกันและกระจายไปยังคนสองคน คุณสมบัติที่ใช้ร่วมกันของอนุภาคในขณะนี้สามารถใช้เป็นรหัสได้ ซึ่งช่วยให้การสื่อสารปลอดภัยแม้จากคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งเป็นเครื่องที่สามารถทำลายเทคนิคการเข้ารหัสแบบคลาสสิกได้

แต่ทำไมหยุดที่สองอนุภาค? ในทางทฤษฎี ไม่มีการจำกัดจำนวนอนุภาคที่สามารถแบ่งสภาวะพัวพันกันได้ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้จินตนาการถึงการเชื่อมต่อควอนตัมแบบสามทาง สี่ทาง หรือแม้แต่ 100 ทางเป็นเวลาหลายสิบปี ซึ่งเป็นสิ่งที่จะช่วยให้อินเทอร์เน็ตที่มีการป้องกันด้วยควอนตัมกระจายอย่างเต็มที่ ขณะนี้ ห้องปฏิบัติการในประเทศจีนได้บรรลุสิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นการพัวพันแบบ nonlocal ระหว่างอนุภาคสามตัวในคราวเดียว ซึ่งอาจช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งของการเข้ารหัสด้วยควอนตัมและความเป็นไปได้สำหรับเครือข่ายควอนตัมโดยทั่วไป

“การนอกท้องถิ่นแบบสองพรรคก็บ้าพอแล้ว” . กล่าว ปีเตอร์ เบียร์ฮอร์สต์นักทฤษฎีข้อมูลควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยนิวออร์ลีนส์ “แต่ปรากฎว่ากลศาสตร์ควอนตัมสามารถทำสิ่งต่าง ๆ ได้มากกว่านั้นเมื่อคุณมีสามฝ่าย”

นักฟิสิกส์ได้เข้าไปพัวพันกับอนุภาคมากกว่าสองอนุภาคก่อนหน้านี้ บันทึกอยู่ที่ไหนสักแห่งระหว่าง 14 อนุภาค และ 15 ล้านล้านขึ้นอยู่กับว่าคุณถามใคร แต่สิ่งเหล่านี้เป็นเพียงระยะทางสั้น ๆ ห่างกันมากที่สุดเพียงไม่กี่นิ้ว ในการทำให้การพัวพันแบบหลายฝ่ายมีประโยชน์สำหรับการเข้ารหัส นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องทำมากกว่าการพัวพันธรรมดาๆ และแสดงให้เห็นถึงความไม่อยู่ในท้องถิ่น — “เกณฑ์สูงที่จะบรรลุได้” กล่าว เอลี วูล์ฟนักทฤษฎีควอนตัมที่ Perimeter Institute for Theoretical Physics ในเมืองวอเตอร์ลู ประเทศแคนาดา

กุญแจสำคัญในการพิสูจน์ nonlocality คือการทดสอบว่าคุณสมบัติของอนุภาคหนึ่งตรงกับคุณสมบัติของอีกอนุภาคหนึ่งหรือไม่ - จุดเด่นของการพัวพัน - เมื่อพวกเขาห่างกันมากพอที่จะไม่มีสิ่งอื่นใดที่สามารถทำให้เกิดผลกระทบได้ ตัวอย่างเช่น อนุภาคที่ยังคงอยู่ใกล้ร่างกายกับแฝดที่พันกันอาจปล่อยรังสีที่ส่งผลกระทบต่ออีกฝ่ายหนึ่ง แต่ถ้าพวกมันอยู่ห่างกันหนึ่งไมล์และวัดผลในทันทีทันใด ก็มีแนวโน้มว่าพวกมันจะเชื่อมโยงกันด้วยการพัวพันเท่านั้น ผู้ทดลองใช้ชุดสมการที่เรียกว่า ความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ เพื่อแยกแยะคำอธิบายอื่น ๆ ทั้งหมดสำหรับคุณสมบัติที่เชื่อมโยงของอนุภาค

ด้วยอนุภาค XNUMX ประการ กระบวนการพิสูจน์ว่าไม่อยู่ในท้องถิ่นมีความคล้ายคลึงกัน แต่มีความเป็นไปได้มากกว่าที่จะแยกแยะออก สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความซับซ้อนของทั้งการวัดและห่วงทางคณิตศาสตร์ที่นักวิทยาศาสตร์ต้องข้ามผ่านเพื่อพิสูจน์ความสัมพันธ์ที่ไม่ใช่ท้องถิ่นของอนุภาคทั้งสาม Bierhorst กล่าวว่า "คุณต้องหาวิธีที่สร้างสรรค์ในการดำเนินการดังกล่าว และมีเทคโนโลยีเพื่อสร้างสภาวะที่เหมาะสมในห้องปฏิบัติการ

ในผลงานที่ตีพิมพ์ในเดือนสิงหาคม ทีมงานในเมืองเหอเฟย ประเทศจีน ได้ก้าวกระโดดครั้งสำคัญ ขั้นแรก โดยการยิงเลเซอร์ผ่านคริสตัลชนิดพิเศษ พวกเขา พันกันยุ่ง โฟตอนสามตัวและวางไว้ในพื้นที่ต่างๆ ของศูนย์วิจัย โดยอยู่ห่างกันหลายร้อยเมตร จากนั้นพวกเขาก็วัดสมบัติสุ่มของโฟตอนแต่ละตัวพร้อมกัน นักวิจัยวิเคราะห์การวัดและพบว่าความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคทั้งสามนั้นอธิบายได้ดีที่สุดโดย nonlocality ควอนตัมสามทาง เป็นการสาธิตที่ครอบคลุมมากที่สุดของการไม่อยู่ในท้องถิ่นสามทางจนถึงปัจจุบัน

ในทางเทคนิค ยังมีโอกาสเล็กน้อยที่สิ่งอื่นทำให้เกิดผลลัพธ์ “เรายังมีช่องโหว่อยู่บ้าง” . กล่าว เสวี่ยเหม่ยกู่ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้เขียนหลักของการศึกษานี้ แต่ด้วยการแยกอนุภาค พวกเขาสามารถแยกแยะคำอธิบายทางเลือกที่ชัดเจนที่สุดสำหรับข้อมูลของพวกมัน นั่นคือ ความใกล้ชิดทางกายภาพ

ผู้เขียนยังใช้การทดลองใหม่ของพวกเขา คำจำกัดความที่เข้มงวดขึ้น ของการไม่อยู่ในท้องถิ่นสามทางที่ได้รับแรงฉุดลากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในขณะที่การทดลองที่ผ่านมาอนุญาตให้มีการทำงานร่วมกันระหว่างอุปกรณ์ที่วัดโฟตอน อุปกรณ์ทั้งสามของ Gu ไม่สามารถสื่อสารได้ แต่พวกเขาทำการวัดแบบสุ่มของอนุภาคแทน ซึ่งเป็นข้อ จำกัด ที่จะเป็นประโยชน์ในสถานการณ์การเข้ารหัสซึ่งการสื่อสารใด ๆ อาจถูกบุกรุกกล่าว เรนาโต เรนเนอร์นักฟิสิกส์ควอนตัมจาก Swiss Federal Institute of Technology Zurich (โดยใช้กระบวนทัศน์แบบพี่ทีมแคนาดา แสดงให้เห็นถึง นอกพื้นที่สามทางในระยะทางในปี 2014)

ตอนนี้นักวิจัยที่ทำตามคำจำกัดความใหม่ได้พัวพันอนุภาคที่ห่างไกลออกไปได้สำเร็จ พวกเขาสามารถมุ่งเน้นไปที่การขยายระยะทางให้ไกลยิ่งขึ้น

“มันเป็นก้าวย่างที่สำคัญในการทำการทดลองในระยะไกลและในวงกว้างใหญ่ขึ้น” . กล่าว ไซกัต กูฮานักทฤษฎีข้อมูลควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยแอริโซนา

โดยทางตรงที่สุด เทคโนโลยีนี้สามารถขับเคลื่อนการกระจายคีย์ควอนตัมที่กว้างขวางยิ่งขึ้น Renner กล่าว หากคุณใช้อนุภาคที่พันกันเป็นกุญแจสำคัญในการเข้ารหัส ความไม่เท่าเทียมกันของ Bell แบบเดียวกับที่นักฟิสิกส์ใช้ในการทดสอบการไม่อยู่ในตำแหน่งนั้นสามารถรับประกันได้ว่าความลับของคุณนั้นปลอดภัยอย่างสมบูรณ์ แม้ว่าอุปกรณ์ที่คุณใช้ส่งหรือรับข้อความจะถูกศัตรูตัวฉกาจฉกฉวยไปในทางประสงค์ร้าย พวกเขาก็จะไม่สามารถระบุควอนตัมคีย์ของคุณได้ ความลับเหล่านั้นอยู่ระหว่างคุณและใครก็ตามที่มีอนุภาคพันกัน

การกระจายคีย์ควอนตัมคือ "สิ่งที่ผู้คนตื่นเต้น" Renner กล่าว ปีที่แล้ว, สามกลุ่มแยกกัน แสดงให้เห็นโปรโตคอลในห้องปฏิบัติการ แม้ว่าจะยังอยู่ในระดับเล็กน้อย นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการไม่อยู่ในท้องถิ่นสามทางจึงมีความสำคัญมาก “โดยหลักการแล้วคุณมีพลังในการเข้ารหัสมากกว่ามาก” เนื่องจากการเชื่อมต่อสามทางเหล่านี้ไม่สามารถจำลองได้โดยการเชื่อมโยงสองทางเข้าด้วยกัน

"มันเป็นปรากฏการณ์ระดับใหม่โดยพื้นฐาน" Bierhorst กล่าวซึ่งสามารถขยายการเข้ารหัสที่ไม่ขึ้นกับอุปกรณ์จากการสื่อสารแบบสองทางขั้นพื้นฐานไปยังเครือข่ายทั้งหมดของผู้แบ่งปันความลับ

นอกจากการเข้ารหัสแล้ว การพัวพันแบบหลายฝ่ายยังเปิดโอกาสให้กับเครือข่ายควอนตัมประเภทอื่นๆ ด้วย นักวิจัยอย่าง Guha กำลังทำงานเกี่ยวกับ a ควอนตัมอินเทอร์เน็ตซึ่งสามารถเชื่อมโยงคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้เช่นเดียวกับอินเทอร์เน็ตทั่วไปที่เชื่อมต่ออุปกรณ์ทั่วไป ระบบนี้จะรวบรวมพลังการคำนวณของอุปกรณ์ควอนตัมจำนวนมากโดยเชื่อมต่ออนุภาคนับล้านที่มีการพัวพันในระดับต่างๆ ในระยะทางที่แตกต่างกัน Guha กล่าวว่าเรามีหน่วยการสร้างทั้งหมดสำหรับระบบดังกล่าว แต่การประกอบ "เป็นความท้าทายด้านวิศวกรรมที่ยิ่งใหญ่และใหญ่" โดยมีเป้าหมายในใจนี้ นักวิทยาศาสตร์ในเนเธอร์แลนด์จึงมี ที่ประสบความสำเร็จ ในการพัวพันสามอนุภาคในเครือข่ายที่ครอบคลุมสองห้องทดลองแยกจากกัน — แม้ว่าจะแตกต่างจากทีมของ Gu พวกเขาไม่ได้มุ่งเน้นไปที่การแสดงให้เห็นถึงความไม่อยู่ในท้องถิ่น

งานเกี่ยวกับสิ่งกีดขวางสามทางนี้เริ่มต้นในฐานะ "เป็นเพียงปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ" Bierhorst กล่าว แต่ “เมื่อคุณมีบางอย่างที่กลศาสตร์ควอนตัมสามารถทำได้ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะทำอย่างอื่น นั่นจะเป็นการเปิดโอกาสทางเทคโนโลยีใหม่ๆ ทุกประเภทที่สามารถใช้ประโยชน์ได้ในวิธีที่ไม่คาดคิด”

สำหรับตอนนี้ ห้องปฏิบัติการไม่กี่แห่งได้แสดงให้เห็นถึงความไม่อยู่ในตำแหน่งสี่ทางระหว่างอนุภาคที่อยู่ใกล้กันมาก “การทดลองเหล่านี้ค่อนข้างเป็นการเก็งกำไร ณ จุดนี้ คุณต้องตั้งสมมติฐานมากมาย” Bierhorst กล่าว

การทดลองสามทางยังคงอาศัยสมมติฐานบางอย่างเช่นกัน ผู้ได้รับรางวัลโนเบลใช้เวลาครึ่งศตวรรษในการขจัดช่องโหว่เหล่านี้ในการทดลองแบบสองทางของพวกเขา ในที่สุดก็ประสบความสำเร็จในปี 2017 แต่เรามาไกลมากตั้งแต่นั้นมาในด้านเทคโนโลยี Renner กล่าว

“สิ่งที่ [ใช้เวลา] หลายทศวรรษก่อนหน้านี้จะเกิดขึ้นในอีกหนึ่งปีหรือประมาณนั้น” เขากล่าว