Giriş
Bu ay, Nobel Fizik Ödülü'nü üç bilim insanı kazandı kuantum dünyasının en mantıksız ama sonuçsal gerçeklerinden birini kanıtlayan çalışmaları için. İki dolaşık kuantum parçacığının tek bir sistem olarak kabul edilmesi gerektiğini gösterdiler - parçacıklar büyük mesafelerle ayrılmış olsalar bile - durumları amansız bir şekilde birbiriyle iç içe geçmiş durumda. Pratikte, bu “yersizlik” olgusu, önünüzdeki sistemin binlerce kilometre uzaktaki bir şeyden anında etkilenebileceği anlamına gelir.
Dolaşma ve yerel olmama, bilgisayar bilimcilerinin kırılmaz kodlar oluşturmasını sağlar. Cihazdan bağımsız kuantum anahtar dağıtımı olarak bilinen bir teknikte, bir çift parçacık birbirine dolanıyor ve ardından iki kişiye dağıtılıyor. Parçacıkların paylaşılan özellikleri artık, klasik şifreleme tekniklerini kırabilen makineler olan kuantum bilgisayarlardan bile iletişimi güvende tutacak bir kod görevi görebilir.
Ama neden iki parçacıkta duralım? Teoride, kaç tane parçacığın dolanık bir durumu paylaşabileceği konusunda bir üst sınır yoktur. Teorik fizikçiler onlarca yıldır üç yollu, dört yollu, hatta 100 yollu kuantum bağlantıları -tamamen dağıtılmış kuantum korumalı internete izin verecek türden bir şey- hayal ettiler. Şimdi, Çin'deki bir laboratuvar, aynı anda üç parçacık arasında yerel olmayan bir karışıklık gibi görünen bir şeyi başardı ve potansiyel olarak kuantum kriptografisinin gücünü ve genel olarak kuantum ağlarının olanaklarını artırdı.
"İki partili yerel olmama hali zaten yeterince çılgın," dedi. Peter Bierhorst, New Orleans Üniversitesi'nde kuantum bilgi teorisyeni. “Ancak kuantum mekaniğinin, üç partiniz olduğunda bunun ötesine geçen şeyler yapabileceği ortaya çıktı.”
Fizikçiler daha önce ikiden fazla parçacığı karıştırdılar. Kayıt arasında bir yerde 14 parçacık ve 15 trilyon, kime sorduğunuza bağlı olarak. Ancak bunlar yalnızca kısa mesafelerdeydi, en fazla yalnızca birkaç santim aralıklıydı. Çok taraflı dolaşıklığı kriptografi için kullanışlı hale getirmek için, bilim adamlarının basit dolaşıklığın ötesine geçmeleri ve yerel olmamayı göstermeleri gerekiyor - “ulaşılacak yüksek bir çıta” dedi. Elie WolfeKanada, Waterloo'daki Perimeter Teorik Fizik Enstitüsü'nde kuantum teorisyeni.
Yerelsizliği kanıtlamanın anahtarı, bir parçacığın özelliklerinin diğerinin özellikleriyle (dolanıklığın ayırt edici özelliği) uyuşup uyuşmadığını test etmektir. Örneğin, dolaşmış ikizine hala fiziksel olarak yakın olan bir parçacık, diğerini etkileyen radyasyon yayabilir. Ancak aralarında bir mil uzaktalarsa ve pratik olarak anında ölçülürlerse, muhtemelen yalnızca dolaşıklıkla bağlantılıdırlar. Deneyciler, denen bir dizi denklem kullanırlar. çan eşitsizlikleri parçacıkların bağlantılı özellikleri için diğer tüm açıklamaları ekarte etmek.
Üç parçacıkla, yerelsizliği kanıtlama süreci benzerdir, ancak ekarte edilecek daha fazla olasılık vardır. Bu, bilim adamlarının üç parçacığın yerel olmayan ilişkisini kanıtlamak için atlamaları gereken hem ölçümlerin hem de matematiksel çemberlerin karmaşıklığını artırıyor. Bierhorst, “Ona yaklaşmak için yaratıcı bir yol bulmalısınız” dedi ve laboratuvarda tam olarak doğru koşulları yaratacak teknolojiye sahip olmalısınız.
Ağustos ayında yayınlanan sonuçlarda, Çin'in Hefei kentindeki bir ekip ileriye doğru çok önemli bir adım attı. İlk olarak, lazerleri özel bir kristal türü aracılığıyla ateşleyerek, dolaşık üç foton ve onları yüzlerce metre arayla araştırma tesisinin farklı bölgelerine yerleştirdi. Sonra aynı anda her fotonun rastgele bir özelliğini ölçtüler. Araştırmacılar ölçümleri analiz ettiler ve üç parçacık arasındaki ilişkinin en iyi üç yönlü kuantum mekansızlığıyla açıklandığını buldular. Bu, bugüne kadarki en kapsamlı üç yönlü yerel olmayan gösteriydi.
Teknik olarak, sonuçlara başka bir şeyin neden olması için küçük bir şans var. “Hala bazı açık boşluklarımız var” dedi Xuemei Gu, çalışmanın baş yazarlarından biri. Ancak parçacıkları ayırarak, verileri için en göze batan alternatif açıklamayı elemeyi başardılar: fiziksel yakınlık.
Yazarlar ayrıca deneylerini yeni bir daha katı tanım son birkaç yılda çekiş kazanan üç yönlü yerel olmayanlık. Geçmiş deneyler, fotonları ölçen cihazlar arasında işbirliğine izin verirken, Gu'nun üç cihazı iletişim kuramadı. Bunun yerine, herhangi bir iletişimin tehlikeye atılabileceği kriptografik senaryolarda faydalı olabilecek bir kısıtlama olan parçacıkların rastgele ölçümlerini yaptılar. Renato Rennerİsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Zürih'te kuantum fizikçisi olan Dr. (Kanadalı bir ekip, eski paradigmayı kullanarak gösterdi 2014'te uzaktan üç yönlü yerelsizlik.)
Yeni tanımı takip eden araştırmacılar, parçacıkları bu kadar uzağa başarıyla dolaştırdıklarına göre, mesafeyi daha da genişletmeye odaklanabilirler.
"Daha uzun mesafeli, daha büyük ölçekli deneyler yapmak için önemli bir adım" dedi. Saikat Guha, Arizona Üniversitesi'nde bir kuantum bilgi teorisyeni.
Renner, en doğrudan, bu teknolojinin daha geniş kuantum anahtar dağıtımına güç sağlayabileceğini söyledi. Şifrelemenin anahtarı olarak dolaşık parçacıkları kullanırsanız, fizikçilerin yerel olmamayı test etmek için kullandıkları aynı Bell eşitsizlikleri, sırrınızın tamamen güvenli olmasını sağlayabilir. O zaman, bir mesaj göndermek veya almak için kullandığınız cihaz, en kötü düşmanınız tarafından kötü niyetli bir şekilde manipüle edilse bile, kuantum anahtarınızı belirleyemezler. Bu sırlar, sizinle diğer dolaşmış parçacık kimdeyse arasında kalır.
Giriş
Renner, kuantum anahtar dağıtımının "insanları heyecanlandıran şey" olduğunu söyledi. Geçen yıl, üç ayrı grup protokolü laboratuvarda gösterdi, ancak yine de küçük bir ölçekte. Bu yüzden üç yönlü yerellik çok önemli olacaktır. “Prensipte çok daha fazla kriptografik gücünüz var” çünkü bu üç yönlü bağlantılar, birkaç iki yönlü bağlantıyı bir araya getirerek simüle edilemez.
Bierhorst, "Temelde yeni bir fenomen seviyesi," dedi, cihazdan bağımsız kriptografiyi temel, iki yönlü iletişimden tüm bir sır paylaşan ağına genişletebilecek bir seviye.
Kriptografinin yanı sıra, çok taraflı dolaşıklık, diğer kuantum ağları türleri için de olanaklar sunar. Guha gibi araştırmacılar bir kuantum internetnormal internetin sıradan cihazları birbirine bağlaması gibi kuantum bilgisayarları birbirine bağlayabilir. Bu sistem, milyonlarca parçacığı değişen mesafelerde farklı dolaşma seviyelerine bağlayarak birçok kuantum cihazının bilgi işlem gücünü bir araya getirecektir. Guha, böyle bir sistem için tüm bireysel yapı taşlarına sahibiz, ancak onu monte etmek “devasa, muazzam bir mühendislik zorluğu” dedi. Bu hedefi akılda tutarak, Hollanda'daki bilim adamları başarılı iki ayrı laboratuvarı kapsayan bir ağda üç parçacığı birbirine karıştırırken - Gu'nun ekibinin aksine, yerel olmayanı göstermeye odaklanmamışlardı.
Bierhorst, üç yönlü dolaşma üzerindeki bu çalışmanın “sadece ilginç bir fenomen” olarak başladığını söyledi. Ancak, "kuantum mekaniğinin yapabileceği bir şeye sahip olduğunuzda, başka türlü yapılması imkansız, bu, öngörülemeyen şekillerde kullanılabilecek her türlü yeni teknolojik olasılığın kapısını açacak."
Şimdilik, birkaç laboratuvar birbirine çok yakın olan parçacıklar arasında dört yönlü yerellik olmadığını gösterdi. "Bu deneyler bu noktada oldukça spekülatif. Bierhorst, “Bir sürü varsayımda bulunmanız gerekiyor” dedi.
Üç yollu deneyler de hala bazı varsayımlara dayanmaktadır. Nobel ödülü sahipleri, iki yönlü deneylerinde bu boşlukları ortadan kaldırmak için yarım yüzyıl harcadılar ve sonunda 2017'de başarılı oldular. Ancak o zamandan bu yana teknolojik olarak çok yol kat ettik, dedi Renner.
"Onlarca yıl önce [alınan] şey, şimdi bir yıl kadar sonra olacak" dedi.
