Giới thiệu
Tháng này, ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý cho công trình của họ chứng minh một trong những thực tại phản trực giác nhưng mang tính hệ quả nhất của thế giới lượng tử. Họ đã chỉ ra rằng hai hạt lượng tử vướng víu phải được coi là một hệ thống duy nhất - trạng thái của chúng đan xen lẫn nhau một cách không thể tách rời - ngay cả khi các hạt cách nhau một khoảng cách rất xa. Trong thực tế, hiện tượng “không định vị” này có nghĩa là hệ thống bạn có trước mặt bạn có thể bị ảnh hưởng tức thì bởi một thứ ở cách xa hàng nghìn dặm.
Sự vướng víu và không định vị cho phép các nhà khoa học máy tính tạo ra các mã không thể theo dõi được. Trong một kỹ thuật được gọi là phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc vào thiết bị, một cặp hạt bị vướng vào nhau và sau đó được phân phối cho hai người. Các thuộc tính được chia sẻ của các hạt giờ đây có thể đóng vai trò như một mã, một mã sẽ giữ cho thông tin liên lạc an toàn ngay cả với máy tính lượng tử - những cỗ máy có khả năng phá vỡ các kỹ thuật mã hóa cổ điển.
Nhưng tại sao lại dừng lại ở hai hạt? Về lý thuyết, không có giới hạn trên về số lượng hạt có thể chia sẻ trạng thái vướng víu. Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý lý thuyết đã tưởng tượng ra các kết nối lượng tử ba chiều, bốn chiều, thậm chí 100 chiều - loại thứ sẽ cho phép một mạng internet được bảo vệ lượng tử phân tán hoàn toàn. Giờ đây, một phòng thí nghiệm ở Trung Quốc đã đạt được điều dường như là sự vướng víu phi địa phương giữa ba hạt cùng một lúc, có khả năng thúc đẩy sức mạnh của mật mã lượng tử và các khả năng cho mạng lượng tử nói chung.
“Sự bất định cư của hai bên đủ điên rồ như nó vốn có,” nói Peter Bierhorst, một nhà lý thuyết thông tin lượng tử tại Đại học New Orleans. "Nhưng hóa ra cơ học lượng tử có thể làm những thứ thậm chí còn vượt xa hơn thế khi bạn có ba bên."
Các nhà vật lý đã vướng nhiều hơn hai hạt trước đây. Kỷ lục nằm ở đâu đó giữa 14 hạt và 15 nghìn tỷ, tùy thuộc vào người bạn yêu cầu. Nhưng chúng chỉ ở những khoảng cách ngắn, tối đa chỉ cách nhau vài inch. Để làm cho sự vướng víu đa bên trở nên hữu ích cho mật mã, các nhà khoa học cần phải vượt ra khỏi sự vướng víu đơn giản và chứng minh tính phi định vị - “một mục tiêu cao để đạt được,” cho biết Elie Wolfe, một nhà lý thuyết lượng tử tại Viện Vật lý lý thuyết Perimeter ở Waterloo, Canada.
Chìa khóa để chứng minh tính phi định vị là kiểm tra xem các thuộc tính của một hạt có khớp với các đặc tính của hạt kia hay không - dấu hiệu của sự vướng víu - một khi chúng cách nhau đủ xa để không có gì khác có thể gây ra hiệu ứng. Ví dụ, một hạt vẫn gần vật lý với cặp song sinh vướng víu của nó có thể phát ra bức xạ ảnh hưởng đến hạt kia. Nhưng nếu chúng cách nhau một dặm và được đo thực tế ngay lập tức, thì chúng có thể được liên kết với nhau chỉ bằng sự vướng víu. Những người thử nghiệm sử dụng một tập hợp các phương trình được gọi là Bất bình đẳng chuông để loại trừ tất cả các giải thích khác cho các đặc tính liên kết của các hạt.
Với ba hạt, quá trình chứng minh tính phi định vị là tương tự, nhưng có nhiều khả năng hơn để loại trừ. Điều này giải thích sự phức tạp của cả phép đo và các vòng toán học mà các nhà khoa học phải vượt qua để chứng minh mối quan hệ phi địa phương của ba hạt. “Bạn phải nghĩ ra một cách sáng tạo để tiếp cận nó,” Bierhorst nói - và có công nghệ để tạo ra những điều kiện thích hợp trong phòng thí nghiệm.
Trong kết quả được công bố vào tháng XNUMX, một nhóm nghiên cứu ở Hợp Phì, Trung Quốc, đã có một bước tiến quan trọng. Đầu tiên, bằng cách bắn tia laze qua một loại tinh thể đặc biệt, chúng vướng ba photon và đặt chúng ở các khu vực khác nhau của cơ sở nghiên cứu, cách nhau hàng trăm mét. Sau đó, họ đồng thời đo tính chất ngẫu nhiên của mỗi photon. Các nhà nghiên cứu đã phân tích các phép đo và nhận thấy rằng mối quan hệ giữa ba hạt được giải thích tốt nhất bằng tính bất định vị lượng tử ba chiều. Đó là minh chứng toàn diện nhất về tính bất định cư ba chiều cho đến nay.
Về mặt kỹ thuật, vẫn có một cơ hội nhỏ là một cái gì đó khác đã gây ra kết quả. "Chúng tôi vẫn còn một số sơ hở," Xuemei Gu, một trong những tác giả chính của nghiên cứu. Nhưng bằng cách tách các hạt ra, họ có thể loại trừ lời giải thích thay thế rõ ràng nhất cho dữ liệu của họ: sự gần gũi về mặt vật lý.
Các tác giả cũng dựa trên thử nghiệm của họ trên một định nghĩa chặt chẽ hơn về sự bất định cư ba chiều đã và đang thu hút được sự chú ý trong vài năm qua. Trong khi các thí nghiệm trước đây cho phép sự hợp tác giữa các thiết bị đo các photon, thì ba thiết bị của Gu không thể giao tiếp. Thay vào đó, họ thực hiện các phép đo ngẫu nhiên của các hạt - một hạn chế sẽ hữu ích trong các tình huống mật mã nơi bất kỳ thông tin liên lạc nào có thể bị xâm phạm, Renato Renner, một nhà vật lý lượng tử tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Zurich. (Sử dụng mô hình cũ hơn, một nhóm người Canada chứng minh bất định vị ba chiều ở một khoảng cách vào năm 2014.)
Giờ đây, các nhà nghiên cứu theo định nghĩa mới đã thành công làm vướng các hạt cách xa nhau như vậy, họ có thể tập trung vào việc mở rộng khoảng cách hơn nữa.
“Đó là bước đệm quan trọng để thực hiện các thử nghiệm ở khoảng cách xa hơn, quy mô lớn hơn,” nói Saikat guha, một nhà lý thuyết thông tin lượng tử tại Đại học Arizona.
Renner nói, trực tiếp nhất, công nghệ này có thể cung cấp năng lượng cho phân phối khóa lượng tử mở rộng hơn. Nếu bạn sử dụng các hạt vướng víu làm chìa khóa để mã hóa, các bất đẳng thức Bell tương tự mà các nhà vật lý sử dụng để kiểm tra tính bất định vị có thể đảm bảo rằng bí mật của bạn hoàn toàn an toàn. Sau đó, ngay cả khi thiết bị bạn sử dụng để gửi hoặc nhận tin nhắn bị kẻ thù tồi tệ nhất của bạn thao túng một cách ác ý, chúng sẽ không thể xác định khóa lượng tử của bạn. Những bí mật đó nằm giữa bạn và bất cứ ai có hạt vướng mắc kia.
Giới thiệu
Phân phối khóa lượng tử là “điều mà mọi người hào hứng,” Renner nói. Năm ngoái, ba nhóm riêng biệt đã trình diễn giao thức trong phòng thí nghiệm, mặc dù vẫn còn ở quy mô nhỏ. Đó là lý do tại sao tính bất định vị ba chiều sẽ rất quan trọng. “Về nguyên tắc, bạn có nhiều sức mạnh mật mã hơn nhiều,” bởi vì các kết nối ba chiều này không thể được mô phỏng bằng cách ghép một vài liên kết hai chiều lại với nhau.
Bierhorst cho biết: “Đó là một cấp độ hiện tượng mới về cơ bản, một hiện tượng có thể mở rộng mật mã độc lập với thiết bị từ giao tiếp cơ bản, hai chiều sang toàn bộ mạng lưới những người chia sẻ bí mật.
Bên cạnh mật mã, rối đa bên cũng mở ra khả năng cho các loại mạng lượng tử khác. Các nhà nghiên cứu như Guha đang nghiên cứu internet lượng tử, có thể liên kết các máy tính lượng tử theo cách mà Internet thông thường kết nối các thiết bị thông thường. Hệ thống này sẽ tập hợp sức mạnh tính toán của nhiều thiết bị lượng tử bằng cách kết nối hàng triệu hạt với các mức độ vướng víu khác nhau trên các khoảng cách khác nhau. Guha nói, chúng tôi có tất cả các khối xây dựng riêng lẻ cho một hệ thống như vậy, nhưng việc lắp ráp nó “là một thách thức kỹ thuật lớn, rất lớn”. Với mục tiêu này, các nhà khoa học ở Hà Lan đã đã thành công trong việc quấn ba hạt trong một mạng lưới trải dài hai phòng thí nghiệm riêng biệt - mặc dù không giống như nhóm của Gu, họ không tập trung vào việc chứng minh tính phi định vị.
Bierhorst cho biết công trình nghiên cứu về sự vướng víu ba chiều này bắt đầu như “một hiện tượng thú vị”. Nhưng “khi bạn có thứ mà cơ học lượng tử có thể làm mà không thể làm khác, điều đó sẽ mở ra tất cả các loại khả năng công nghệ mới có thể được khai thác theo những cách không lường trước được”.
Hiện tại, một số phòng thí nghiệm đã chứng minh tính bất định vị bốn chiều giữa các hạt rất gần nhau. “Tại thời điểm này, những thí nghiệm này khá mang tính suy đoán. Bạn phải đưa ra rất nhiều giả định, ”Bierhorst nói.
Các thí nghiệm ba chiều cũng dựa trên một số giả định. Những người đoạt giải Nobel đã dành nửa thế kỷ để loại bỏ những sơ hở đó trong các thí nghiệm hai chiều của họ, cuối cùng đã thành công vào năm 2017. Nhưng chúng ta đã đi một chặng đường dài kể từ đó về mặt công nghệ, Renner nói.
Ông nói: “Những gì [mất] nhiều thập kỷ trước sẽ xảy ra sau một năm hoặc lâu hơn.
