Вступ
У цьому місяці троє вчених отримали Нобелівську премію з фізики за їх роботу, що доводить одну з найбільш суперечливих, але неперевершених реальностей квантового світу. Вони показали, що дві заплутані квантові частинки слід вважати єдиною системою — їхні стани невпинно переплетені один з одним — навіть якщо частинки розділені великими відстанями. На практиці це явище «нелокальності» означає, що на систему, яка є перед вами, може миттєво вплинути щось, що знаходиться за тисячі миль.
Заплутаність і нелокальність дозволяють комп’ютерникам створювати незламні коди. У техніці, відомої як апаратно-незалежний квантовий розподіл ключів, пара частинок заплутується, а потім розподіляється між двома людьми. Спільні властивості частинок тепер можуть служити кодом, який забезпечить безпеку зв’язку навіть із квантовими комп’ютерами — машинами, здатними зламати класичні методи шифрування.
Але навіщо зупинятися на двох частинках? Теоретично не існує верхньої межі того, скільки частинок можуть перебувати в заплутаному стані. Десятиліттями фізики-теоретики уявляли собі тристоронні, чотиристоронні, навіть 100-сторонні квантові з’єднання — те, що уможливило б повністю розподілений квантово-захищений Інтернет. Тепер лабораторія в Китаї досягла того, що, здається, нелокальне заплутування між трьома частинками одночасно, потенційно посилюючи силу квантової криптографії та можливості для квантових мереж загалом.
«Двостороння нелокальність і так божевільна», — сказав він Пітер Бірхорст, теоретик квантової інформації в Університеті Нового Орлеана. «Але виявилося, що квантова механіка може робити речі, які навіть виходять за рамки цього, якщо у вас є три сторони».
Раніше фізики сплутали більше двох частинок. Запис десь між 14 частинок та 15 трлн, залежно від того, кого ви запитуєте. Але вони були лише на коротких відстанях, щонайбільше в декількох дюймах один від одного. Щоб зробити багатостороннє заплутування корисним для криптографії, вченим потрібно вийти за рамки простого заплутування та продемонструвати нелокальність — «висока планка», — сказав Елі Вулф, квантовий теоретик Інституту теоретичної фізики Периметр у Ватерлоо, Канада.
Ключ до доказу нелокальності полягає в тому, щоб перевірити, чи збігаються властивості однієї частинки з властивостями іншої (відмітна ознака заплутаності), коли вони знаходяться на досить великій відстані одна від одної, щоб ніщо інше не могло спричинити наслідки. Наприклад, частинка, яка все ще фізично близька до свого заплутаного близнюка, може випромінювати випромінювання, яке впливає на іншу. Але якщо вони знаходяться на відстані милі один від одного і вимірюються практично миттєво, то вони, ймовірно, пов’язані лише сплутанням. Експериментатори використовують систему рівнянь, яка називається Дзвінкові нерівності щоб виключити всі інші пояснення пов’язаних властивостей частинок.
З трьома частинками процес доведення нелокальності схожий, але є більше можливостей, які слід виключити. Це збільшує складність як вимірювань, так і математичних кіл, через які вчені повинні пройти, щоб довести нелокальний зв’язок трьох частинок. «Потрібно знайти креативний підхід до цього», — сказав Бірхорст, — і мати технологію для створення правильних умов у лабораторії.
У результатах, опублікованих у серпні, команда в Хефей, Китай, зробила вирішальний крок вперед. По-перше, стріляючи лазерами через особливий тип кристала, вони заплутаний три фотони та розмістив їх у різних частинах дослідницького центру на відстані сотень метрів одна від одної. Потім вони одночасно виміряли випадкову властивість кожного фотона. Дослідники проаналізували вимірювання та виявили, що зв’язок між трьома частинками найкраще пояснюється тристоронньою квантовою нелокальністю. Це була найповніша демонстрація тристоронньої нелокальності на сьогоднішній день.
Технічно існує невелика ймовірність того, що щось спричинило результати. «У нас все ще є відкриті лазівки», — сказав він Сюемей Гу, один із провідних авторів дослідження. Але, розділивши частинки, вони змогли виключити найбільш яскраве альтернативне пояснення своїх даних: фізичну близькість.
Автори також заснували свій експеримент на новому, більш суворе визначення тристоронньої нелокальності, яка набирає популярності в останні кілька років. Тоді як минулі експерименти дозволяли співпрацювати між пристроями, які вимірювали фотони, три пристрої Гу не могли спілкуватися. Замість цього вони провели випадкові вимірювання частинок — обмеження, яке було б корисним у криптографічних сценаріях, де будь-який зв’язок може бути скомпрометований, сказав Ренато Реннер, квантовий фізик у Швейцарському федеральному технологічному інституті Цюріха. (Використовуючи старішу парадигму, канадська команда продемонстрований тристороння нелокальність на відстані в 2014 р.)
Тепер, коли дослідники, які дотримуються нового визначення, успішно заплутали частинки так далеко одна від одної, вони можуть зосередитися на збільшенні відстані ще більше.
«Це важлива сходинка до проведення масштабних експериментів на більших відстанях», — сказав він Сайкат Гуха, теоретик квантової інформації в Університеті Арізони.
За словами Реннера, ця технологія може забезпечити більш широке квантове розподілення ключів. Якщо ви використовуєте заплутані частинки як ключ до шифрування, ті самі нерівності Белла, які фізики використовують для перевірки нелокальності, можуть гарантувати, що ваш секрет буде повністю захищеним. Тоді, навіть якщо ваш найлютіший ворог зловмисно маніпулює пристроєм, який ви використовуєте для надсилання чи отримання повідомлення, вони не зможуть визначити ваш квантовий ключ. Ці секрети залишаються між вами та тим, хто має іншу заплутану частинку.
Вступ
Квантовий розподіл ключів — це те, що людей дуже захоплює, — сказав Реннер. Минулого року, три окремі групи продемонстрував протокол у лабораторії, хоча все ще в невеликому масштабі. Ось чому тристороння нелокальність буде такою важливою. «В принципі ви маєте набагато більшу криптографічну потужність», тому що ці тристоронні з’єднання неможливо змоделювати шляхом об’єднання кількох двосторонніх з’єднань.
«Це принципово новий рівень явища», — сказав Бірхорст, який може розширити апаратно-незалежну криптографію від базового двостороннього зв’язку до цілої мережі розповсюджувачів секрету.
Окрім криптографії, багатостороннє заплутування також відкриває можливості для інших типів квантових мереж. Такі дослідники, як Гуха, працюють над a квантовий Інтернет, який може з’єднати квантові комп’ютери так, як звичайний Інтернет з’єднує звичайні пристрої. Ця система об’єднала б обчислювальну потужність багатьох квантових пристроїв, з’єднавши мільйони частинок із різними рівнями заплутаності на різних відстанях. У нас є всі окремі будівельні блоки для такої системи, сказав Гуха, але її збірка «є величезним інженерним завданням». З цією метою вчені в Нідерландах вдалося в об’єднанні трьох частинок у мережу, що охоплює дві окремі лабораторії — хоча, на відміну від команди Гу, вони не були зосереджені на демонстрації нелокальності.
Ця робота над тристороннім заплутанням почалася як «просто цікаве явище», сказав Бірхорст. Але «якщо у вас є те, що квантова механіка може зробити, що неможливо зробити інакше, це відкриє всілякі нові технологічні можливості, які можна використовувати непередбаченими способами».
Наразі кілька лабораторій продемонстрували чотиристоронню нелокальність між частинками, які знаходяться дуже близько одна до одної. «На даний момент ці експерименти досить спекулятивні. Ви повинні зробити багато припущень", - сказав Бірхорст.
Тристоронні експерименти все ще також спираються на деякі припущення. Нобелівські лауреати витратили півстоліття, щоб виключити ці лазівки у своїх двосторонніх експериментах, і нарешті досягли успіху в 2017 році. Але з того часу ми пройшли довгий шлях у технологічному плані, сказав Реннер.
«Те, що [займало] десятиліття раніше, тепер станеться через рік або близько того», — сказав він.
