Dịch chuyển tức thời lượng tử là sự chuyển trạng thái lượng tử qua một khoảng cách. Thật khó để giải thích nó một cách riêng biệt, nó chỉ có thể được thực hiện cùng với toàn bộ vật lý lượng tử. Trong bài giảng của mình được tổ chức như một phần của Giảng đường 2035 tại VDNKh, Giáo sư Khoa Vật lý tại Đại học Calgary (Canada), thành viên của Viện Nghiên cứu Cao học Canada Alexander Lvovsky đã cố gắng giải thích một cách đơn giản các nguyên tắc của dịch chuyển tức thời lượng tử và mật mã lượng tử. Lenta.ru đăng các đoạn trích từ bài phát biểu của anh ấy.

Chìa khóa lâu đài

Mật mã là nghệ thuật giao tiếp an toàn qua một kênh không an toàn. Tức là bạn có một dòng nhất định có thể nghe được và bạn cần gửi một thông điệp bí mật qua đó mà không ai khác có thể đọc được.

Hãy tưởng tượng rằng, giả sử, nếu Alice và Bob có cái gọi là khóa bí mật, cụ thể là, một chuỗi bí mật gồm các số 0 và 1 mà không ai khác có, họ có thể mã hóa một tin nhắn bằng khóa này, áp dụng thao tác XOR sao cho số 0 khớp với không, và một với một. Một tin nhắn được mã hóa như vậy đã có thể được truyền qua một kênh mở. Nếu ai đó chặn nó, không sao cả, vì không ai có thể đọc nó, ngoại trừ Bob, người có một bản sao của khóa bí mật.

Trong bất kỳ mật mã nào, trong bất kỳ giao tiếp nào, tài nguyên đắt nhất là một chuỗi ngẫu nhiên gồm các số 0 và 1, chỉ được sở hữu bởi hai giao tiếp. Nhưng trong hầu hết các trường hợp, mật mã khóa công khai được sử dụng. Giả sử bạn mua thứ gì đó bằng thẻ tín dụng từ một cửa hàng trực tuyến bằng HTTPS an toàn. Theo nó, máy tính của bạn đang nói chuyện với một số máy chủ mà nó chưa từng liên lạc trước đây và nó không có cơ hội trao đổi khóa bí mật với máy chủ này.

Bí ẩn của cuộc đối thoại này được cung cấp bằng cách giải quyết một vấn đề toán học phức tạp, đặc biệt là phân tích thành các thừa số nguyên tố. Nhân hai số nguyên tố thì dễ, nhưng nếu tích của chúng đã cho rồi thì việc tìm hai thừa số rất khó. Nếu con số đủ lớn, nó sẽ cần nhiều năm tính toán từ một máy tính thông thường.

Tuy nhiên, nếu máy tính này không phải là máy tính thông thường mà là máy tính lượng tử, nó sẽ giải quyết vấn đề như vậy một cách dễ dàng. Cuối cùng, khi nó được phát minh, phương pháp được sử dụng rộng rãi ở trên sẽ trở nên vô dụng, điều này được cho là sẽ gây ra thảm họa cho xã hội.

Nếu bạn còn nhớ, trong cuốn sách Harry Potter đầu tiên, nhân vật chính phải qua cửa an ninh để đến được Hòn đá phù thủy. Có một điều tương tự ở đây: đối với những người đã thiết lập sự bảo vệ, sẽ dễ dàng vượt qua nó. Điều đó rất khó khăn với Harry nhưng cuối cùng cậu ấy vẫn vượt qua được.

Ví dụ này minh họa rất rõ về mật mã khóa công khai. Bất cứ ai không biết anh ấy về nguyên tắc đều có thể giải mã được các thông điệp, nhưng điều đó sẽ rất khó khăn đối với anh ấy và điều này có thể sẽ mất nhiều năm. Mật mã khóa công khai không cung cấp bảo mật tuyệt đối.

mật mã lượng tử

Tất cả điều này giải thích sự cần thiết của mật mã lượng tử. Cô ấy cho chúng tôi những điều tốt nhất của cả hai thế giới. Có một phương pháp pad một lần, đáng tin cậy, nhưng mặt khác, yêu cầu một khóa bí mật "đắt tiền". Để Alice có thể giao tiếp với Bob, cô ấy phải gửi cho anh ta một người chuyển phát nhanh với một va li chứa đầy các đĩa chứa các chìa khóa đó. Anh ta sẽ tiêu thụ chúng dần dần, vì mỗi thứ chỉ có thể được sử dụng một lần. Mặt khác, chúng tôi có phương pháp khóa công khai, "rẻ" nhưng không cung cấp bảo mật tuyệt đối.

Hình ảnh: Bảo tàng Khoa học / Globallookpress.com

Một mặt, mật mã lượng tử là "rẻ", nó cho phép truyền khóa an toàn qua một kênh có thể bị xâm nhập, mặt khác, nó đảm bảo tính bí mật do các định luật vật lý cơ bản. Ý nghĩa của nó là mã hóa thông tin ở trạng thái lượng tử của các photon riêng lẻ.

Theo các định đề của vật lý lượng tử, trạng thái lượng tử tại thời điểm nó được cố gắng đo sẽ bị phá hủy và thay đổi. Do đó, nếu có một gián điệp nào đó trên đường dây giữa Alice và Bob đang cố gắng nghe trộm hoặc nhìn trộm, anh ta chắc chắn sẽ thay đổi trạng thái của các photon, những người liên lạc sẽ nhận thấy rằng đường dây đang bị nghe lén, ngừng liên lạc và hành động.

Không giống như nhiều công nghệ lượng tử khác, mật mã lượng tử mang tính thương mại, không phải khoa học viễn tưởng. Đã có những công ty sản xuất máy chủ được kết nối với một đường cáp quang thông thường, qua đó bạn có thể liên lạc một cách an toàn.

Cách thức hoạt động của bộ tách chùm tia phân cực

Ánh sáng là sóng điện từ ngang, không dao động dọc mà dao động ngang. Tính chất này được gọi là sự phân cực, và nó có mặt ngay cả trong các photon riêng lẻ. Chúng có thể được sử dụng để mã hóa thông tin. Ví dụ, một photon nằm ngang bằng không và một photon thẳng đứng là một (điều này cũng đúng đối với các photon có phân cực cộng 45 độ và âm 45 độ).

Alice đã mã hóa thông tin theo cách này và Bob cần phải chấp nhận nó. Đối với điều này, một thiết bị đặc biệt được sử dụng - bộ tách chùm tia phân cực, một khối bao gồm hai lăng kính được dán lại với nhau. Nó truyền một luồng phân cực theo chiều ngang và phản xạ một luồng phân cực theo chiều dọc, nhờ đó thông tin được giải mã. Nếu photon nằm ngang bằng không và photon dọc là một, thì một máy dò sẽ nhấp trong trường hợp số 0 logic và máy dò kia trong trường hợp là một.

Nhưng điều gì xảy ra nếu chúng ta gửi một photon chéo? Sau đó, tai nạn lượng tử nổi tiếng bắt đầu đóng một vai trò nào đó. Không thể nói liệu một photon như vậy sẽ đi qua hay bị phản xạ - nó sẽ đi qua hoặc phản xạ với xác suất 50 phần trăm. Dự đoán hành vi của anh ta là không thể về nguyên tắc. Hơn nữa, thuộc tính này làm cơ sở cho các trình tạo số ngẫu nhiên thương mại.

Phải làm gì nếu chúng ta có nhiệm vụ phân biệt các phân cực cộng 45 độ và trừ 45 độ? Cần xoay bộ tách chùm xung quanh trục chùm. Sau đó, định luật ngẫu nhiên lượng tử sẽ hoạt động đối với các photon có sự phân cực ngang và dọc. Tài sản này là cơ bản. Chúng ta không thể hỏi photon này có sự phân cực nào.

Ảnh: Bảo tàng Khoa học / Globallookpress.com

Nguyên lý mật mã lượng tử

Ý tưởng đằng sau mật mã lượng tử là gì? Giả sử Alice gửi một photon cho Bob, mà cô ấy mã hóa theo chiều ngang-dọc hoặc theo đường chéo. Bob cũng tung một đồng xu, quyết định ngẫu nhiên xem cơ sở của anh ấy sẽ là ngang-dọc hay chéo. Nếu phương pháp mã hóa của họ phù hợp, Bob sẽ nhận được dữ liệu do Alice gửi, nếu không, thì một số điều vô nghĩa. Họ thực hiện thao tác này hàng nghìn lần, sau đó “gọi” qua một kênh mở và cho nhau biết họ đã thực hiện chuyển khoản dựa trên cơ sở nào - chúng ta có thể giả định rằng thông tin này hiện có sẵn cho bất kỳ ai. Tiếp theo, Bob và Alice sẽ có thể loại bỏ các sự kiện trong đó các căn cứ khác nhau và để lại những sự kiện giống nhau (sẽ có khoảng một nửa trong số đó).

Giả sử một điệp viên nào đó đã xen vào đường dây muốn nghe trộm tin nhắn, nhưng anh ta cũng cần đo lường thông tin trên cơ sở nào đó. Hãy tưởng tượng rằng Alice và Bob có giống nhau, nhưng điệp viên thì không. Trong tình huống dữ liệu được gửi theo chiều ngang-dọc và kẻ nghe trộm đo đường truyền theo đường chéo, anh ta sẽ nhận được một giá trị ngẫu nhiên và chuyển tiếp một số photon tùy ý cho Bob, vì anh ta không biết nó phải là gì. Vì vậy, sự can thiệp của anh ta sẽ được chú ý.

Vấn đề lớn nhất trong mật mã lượng tử là mất mát. Ngay cả sợi quang tốt nhất và hiện đại nhất cũng bị suy hao 50% cho mỗi 10-12 km cáp. Giả sử chúng ta gửi chìa khóa bí mật của mình từ Moscow đến St. Petersburg - trong 750 km và chỉ một trong số một tỷ tỷ photon sẽ đến được mục tiêu. Tất cả điều này làm cho công nghệ hoàn toàn không thực tế. Đó là lý do tại sao mật mã lượng tử hiện đại chỉ hoạt động ở khoảng cách khoảng 100 km. Về mặt lý thuyết, người ta đã biết cách giải quyết vấn đề này - với sự trợ giúp của các bộ lặp lượng tử, nhưng việc triển khai chúng đòi hỏi phải dịch chuyển tức thời lượng tử.

Ảnh: Perry Mastrovito / Globallookpress.com

rối lượng tử

Định nghĩa khoa học về rối lượng tử là một trạng thái chồng chất được định vị lại. Nghe có vẻ phức tạp, nhưng có thể đưa ra một ví dụ đơn giản. Giả sử chúng ta có hai photon: ngang và dọc, có trạng thái lượng tử phụ thuộc lẫn nhau. Chúng tôi gửi một trong số chúng cho Alice và cái còn lại cho Bob, người thực hiện các phép đo trên bộ tách chùm tia phân cực.

Khi các phép đo này được thực hiện theo cơ sở ngang-dọc thông thường, rõ ràng là kết quả sẽ tương quan với nhau. Nếu Alice nhận thấy một photon nằm ngang, thì dĩ nhiên, cái thứ hai sẽ thẳng đứng và ngược lại. Có thể tưởng tượng điều này một cách đơn giản hơn: chúng ta có một quả bóng màu xanh và đỏ, chúng ta dán từng quả bóng vào phong bì mà không cần nhìn và gửi cho hai người nhận - nếu một người nhận được màu đỏ thì người thứ hai chắc chắn sẽ nhận được màu xanh lam.

Nhưng trong trường hợp vướng víu lượng tử, vấn đề không chỉ giới hạn ở điều này. Mối tương quan này không chỉ diễn ra trên cơ sở ngang-dọc mà còn ở bất kỳ cơ sở nào khác. Ví dụ: nếu Alice và Bob xoay bộ tách chùm của họ 45 độ cùng một lúc, họ sẽ lại có một kết hợp hoàn hảo.

Đây là một hiện tượng lượng tử rất kỳ lạ. Giả sử Alice bằng cách nào đó đã xoay bộ tách chùm tia của mình và tìm thấy một số photon có độ phân cực α đi qua nó. Nếu Bob đo photon của anh ấy trên cùng một cơ sở, anh ấy sẽ tìm thấy sự phân cực 90 độ +α.

Vì vậy, lúc đầu chúng ta có một trạng thái vướng víu: photon của Alice hoàn toàn không xác định và photon của Bob hoàn toàn không xác định. Khi Alice đo photon của cô ấy, tìm thấy một số giá trị, bây giờ chúng ta biết chính xác Bob có photon nào, bất kể anh ấy ở xa bao nhiêu. Hiệu ứng này đã được xác nhận nhiều lần bằng các thí nghiệm, đây không phải là điều viển vông.

dịch chuyển tức thời lượng tử

Giả sử Alice có một photon nhất định với phân cực α mà cô ấy chưa biết, tức là ở trạng thái chưa biết. Không có kênh trực tiếp giữa cô ấy và Bob. Nếu có một kênh, thì Alice sẽ có thể đăng ký trạng thái của photon và truyền thông tin này cho Bob. Nhưng không thể biết trạng thái lượng tử trong một lần đo nên phương pháp này không phù hợp. Tuy nhiên, giữa Alice và Bob có một cặp photon vướng víu được chuẩn bị trước. Do đó, có thể làm cho photon của Bob mang trạng thái ban đầu của photon của Alice, được "gọi điện" sau này trên một đường dây điện thoại có điều kiện.

Đây là một cổ điển (mặc dù là một chất tương tự rất xa) của tất cả những điều này. Alice và Bob mỗi người nhận được một quả bóng bay màu đỏ hoặc xanh trong phong bì. Alice muốn gửi cho Bob thông tin về những gì cô ấy có. Để làm được điều này, cô ấy cần “gọi điện” cho Bob, so sánh các quả bóng, nói với anh ấy “Tôi có một quả bóng giống nhau” hoặc “Chúng tôi có những quả bóng khác nhau”. Nếu ai đó nghe lén dòng này, nó sẽ không giúp anh ta nhận ra màu sắc của chúng.

Làm thế nào để tất cả hoạt động? Chúng ta có một trạng thái vướng víu và một photon mà chúng ta muốn dịch chuyển tức thời. Alice phải thực hiện một phép đo thích hợp cho photon được dịch chuyển tức thời ban đầu và hỏi xem photon kia đang ở trạng thái nào. Một cách ngẫu nhiên, cô ấy nhận được một trong bốn câu trả lời có thể. Do hiệu ứng nấu ăn từ xa, hóa ra sau phép đo này, tùy thuộc vào kết quả, photon của Bob đã chuyển sang một trạng thái nhất định. Trước đó, anh ta bị vướng vào photon của Alice, ở trong trạng thái vô định.

Alice nói với Bob qua điện thoại số đo của cô ấy là bao nhiêu. Giả sử, nếu kết quả của nó hóa ra là ψ-, thì Bob biết rằng photon của anh ấy đã tự động chuyển thành trạng thái này. Nếu Alice báo cáo rằng phép đo của cô cho kết quả ψ+, thì photon của Bob có phân cực -α. Vào cuối thí nghiệm dịch chuyển tức thời, Bob có một bản sao photon ban đầu của Alice, và photon của cô ấy cũng như thông tin về nó bị phá hủy trong quá trình này.

công nghệ dịch chuyển tức thời

Bây giờ chúng ta có thể dịch chuyển tức thời sự phân cực của photon và một số trạng thái của nguyên tử. Nhưng khi họ viết, họ nói, các nhà khoa học đã học cách dịch chuyển tức thời các nguyên tử - đây là một sự lừa dối, bởi vì các nguyên tử có rất nhiều trạng thái lượng tử, một tập hợp vô hạn. Tốt nhất, chúng tôi đã tìm ra cách dịch chuyển tức thời một vài người trong số họ.

Câu hỏi yêu thích của tôi là khi nào dịch chuyển tức thời của con người sẽ diễn ra? Câu trả lời là không bao giờ. Giả sử chúng ta có Thuyền trưởng Picard từ loạt phim Star Trek, người cần được dịch chuyển tức thời lên bề mặt hành tinh từ một con tàu. Để làm được điều này, như chúng ta đã biết, chúng ta cần tạo thêm một vài chiếc Picard giống nhau, đưa chúng vào trạng thái bối rối bao gồm tất cả các trạng thái có thể có của nó (tỉnh táo, say rượu, ngủ, hút thuốc - hoàn toàn là mọi thứ) và thực hiện các phép đo trên cả hai. Rõ ràng là điều này khó khăn và phi thực tế như thế nào.

Dịch chuyển tức thời lượng tử là một hiện tượng thú vị nhưng trong phòng thí nghiệm. Mọi thứ sẽ không đến với sự dịch chuyển của các sinh vật sống (ít nhất là trong tương lai gần). Tuy nhiên, nó có thể được sử dụng trong thực tế để tạo ra các bộ lặp lượng tử để truyền thông tin trên một khoảng cách dài.

Một nhóm các nhà khoa học từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã tiến hành một thí nghiệm vệ tinh về sự chuyển trạng thái lượng tử giữa các cặp photon vướng víu (cái gọi là dịch chuyển tức thời lượng tử) trên khoảng cách kỷ lục hơn 1200 km.

Hiện tượng (hoặc vướng víu) phát sinh khi trạng thái của hai hoặc nhiều hạt phụ thuộc lẫn nhau (tương quan), có thể tách rời nhau trên những khoảng cách dài tùy ý, nhưng đồng thời chúng vẫn tiếp tục "cảm nhận" lẫn nhau. Phép đo tham số của một hạt dẫn đến sự phá hủy ngay lập tức trạng thái vướng víu của hạt khác, điều khó tưởng tượng nếu không hiểu các nguyên tắc của cơ học lượng tử, đặc biệt là vì các hạt (nó là đặc biệt hiển thị trong các thí nghiệm vi phạm cái gọi là bất đẳng thức Bell) không có bất kỳ tham số ẩn nào lưu trữ thông tin về trạng thái của “bạn đồng hành”, đồng thời, sự thay đổi trạng thái tức thời không dẫn đến vi phạm nguyên tắc nhân quả và không cho phép thông tin hữu ích được truyền đi theo cách này.

Để truyền thông tin thực, cần có thêm sự tham gia của các hạt chuyển động với tốc độ không vượt quá tốc độ ánh sáng. Ví dụ, với tư cách là các hạt bị vướng víu, các photon có một tổ tiên chung có thể hoạt động, và chẳng hạn, spin của chúng được sử dụng như một tham số phụ thuộc.

Việc chuyển trạng thái của các hạt vướng víu trên khoảng cách ngày càng dài và trong những điều kiện khắc nghiệt nhất không chỉ được các nhà khoa học liên quan đến vật lý cơ bản mà còn cả các kỹ sư thiết kế thông tin liên lạc an toàn quan tâm. Người ta tin rằng hiện tượng vướng víu của các hạt trong tương lai sẽ cung cấp cho chúng ta, về nguyên tắc, các kênh liên lạc không thể bị tấn công. "Bảo vệ" trong trường hợp này sẽ là thông báo không thể tránh khỏi của những người tham gia cuộc trò chuyện rằng người khác đã can thiệp vào giao tiếp của họ.

Bằng chứng về điều này sẽ là các định luật vật lý không thể phá vỡ - sự sụp đổ không thể đảo ngược của hàm sóng.

Các nguyên mẫu của thiết bị để thực hiện giao tiếp lượng tử an toàn như vậy đã được tạo ra, nhưng cũng có những ý tưởng làm tổn hại đến hoạt động của tất cả các “kênh an toàn tuyệt đối” này, chẳng hạn như bằng các phép đo lượng tử yếu có thể đảo ngược, vì vậy vẫn chưa rõ liệu mật mã lượng tử sẽ có thể thoát khỏi giai đoạn thử nghiệm nguyên mẫu hay không, liệu tất cả các phát triển sẽ bị tiêu diệt trước và không phù hợp để áp dụng thực tế hay không.

Một điểm khác: việc truyền các trạng thái vướng víu cho đến nay chỉ được thực hiện trong khoảng cách không quá 100 km, do tổn thất photon trong sợi quang hoặc trong không khí, vì xác suất để ít nhất một số photon đến được máy dò trở thành biến mất nhỏ. Thỉnh thoảng có những báo cáo về thành tựu khác trên con đường này, nhưng vẫn chưa thể bao phủ toàn bộ địa cầu bằng một kết nối như vậy.

Vì vậy, đầu tháng này, các nhà vật lý Canada đã công bố nỗ lực thành công trong việc liên lạc qua một kênh lượng tử an toàn với một chiếc máy bay, nhưng nó chỉ cách máy phát 3-10 km.

Cái gọi là giao thức bộ lặp lượng tử được công nhận là một trong những cách để cải thiện triệt để việc truyền tín hiệu, nhưng giá trị thực tế của nó vẫn còn nhiều nghi vấn do cần phải giải quyết một số vấn đề kỹ thuật phức tạp.

Một cách tiếp cận khác chính xác là sử dụng công nghệ vệ tinh, vì vệ tinh có thể đồng thời nằm trong tầm nhìn của các địa điểm rất xa khác nhau trên Trái đất. Ưu điểm chính của phương pháp này có thể là phần lớn đường đi của photon sẽ ở trong chân không với độ hấp thụ gần như bằng không và loại bỏ hiện tượng mất kết hợp (vi phạm kết hợp do tương tác của các hạt với môi trường).

Để chứng minh tính khả thi của các thí nghiệm vệ tinh, các chuyên gia Trung Quốc đã tiến hành các thử nghiệm sơ bộ trên mặt đất chứng minh sự lan truyền hai chiều thành công của các cặp photon vướng víu qua một môi trường mở ở khoảng cách 600 m, 13 km và 102 km với độ suy hao kênh hiệu dụng là 80 dB. Các thí nghiệm cũng đã được thực hiện về việc chuyển trạng thái lượng tử trên các nền tảng chuyển động trong điều kiện tổn thất và nhiễu loạn cao.

Sau các nghiên cứu khả thi chi tiết với sự tham gia của các nhà khoa học Áo, một vệ tinh trị giá 100 triệu đô la đã được phát triển, phóng vào ngày 16 tháng 8 năm 2016 từ Sân bay vũ trụ Jiuquan ở sa mạc Gobi bằng phương tiện phóng Long March-2D vào quỹ đạo có độ cao 500 km.

Vệ tinh được đặt tên là "Mo-tzu" để vinh danh nhà triết học Trung Quốc cổ đại ở thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên, người sáng lập Chủ nghĩa Moism (học thuyết về tình yêu phổ quát và chủ nghĩa hệ quả của nhà nước). Trong nhiều thế kỷ ở Trung Quốc, Mặc gia đã cạnh tranh thành công với Nho giáo, cho đến khi Nho giáo được coi là hệ tư tưởng của nhà nước.

Nhiệm vụ Mozi được hỗ trợ bởi ba trạm mặt đất: ở Delinghe (tỉnh Thanh Hải), Nanshan ở Urumqi (Tân Cương) và Đài thiên văn GaoMeiGu (GMG) ở Lệ Giang (tỉnh Vân Nam). Khoảng cách giữa Delinghe và Lệ Giang là 1203 km. Khoảng cách giữa vệ tinh quay quanh và các trạm mặt đất này thay đổi trong khoảng 500-2000 km.

Bởi vì các photon vướng víu không thể được "khuếch đại" đơn giản như các tín hiệu cổ điển, nên các phương pháp mới phải được phát triển để giảm sự suy giảm trong các kênh truyền giữa Trái đất và các vệ tinh. Để đạt được hiệu quả ghép nối cần thiết, cần phải đồng thời đạt được độ phân kỳ chùm tia tối thiểu và hướng tốc độ cao và độ chính xác cao đến các máy dò.

Sau khi phát triển một nguồn vũ trụ siêu sáng của công nghệ vướng víu hai photon và công nghệ APT (thu nhận, chỉ điểm và theo dõi) có độ chính xác cao, nhóm đã thiết lập một "sự ghép nối lượng tử" giữa các cặp photon cách nhau 1203 km, các nhà khoa học đã tiến hành quá trình này. được gọi là phép thử Bell để kiểm tra sự vi phạm tính định xứ (khả năng ảnh hưởng tức thời đến trạng thái của một hạt ở xa) và thu được kết quả có ý nghĩa thống kê là 4 sigma (độ lệch chuẩn).

Sơ đồ nguồn photon trên vệ tinh. Độ dày của tinh thể KTiOPO4 (PPKTP) là 15 mm. Một cặp gương lõm lệch trục tập trung tia laser bơm (PL) vào tâm của tinh thể PPKTP. Đầu ra của giao thoa kế Sagnac sử dụng hai gương lưỡng sắc (DM) và các bộ lọc để tách các photon tín hiệu khỏi laser bơm. Hai gương bổ sung (PI) được điều khiển từ xa từ mặt đất được sử dụng để tinh chỉnh hướng chùm tia nhằm đạt hiệu quả thu chùm tia tối ưu. QWP - phần pha sóng một phần tư; HWP - phần pha nửa sóng; PBS - bộ tách chùm tia phân cực.

So với các phương pháp trước đây sử dụng các mẫu sợi viễn thông thương mại phổ biến nhất, hiệu quả của kết nối vệ tinh hóa ra cao hơn nhiều bậc, theo các tác giả của nghiên cứu, mở đường cho các ứng dụng thực tế trước đây không có trên Trái đất .

dịch chuyển tức thời lượng tử- đây là sự dịch chuyển tức thời không phải của các vật thể, không phải của năng lượng, mà là của một trạng thái. Nhưng trong trường hợp này, các trạng thái được chuyển giao theo cách không thể thực hiện được theo quan điểm cổ điển. Theo quy định, một số lượng lớn các phép đo toàn diện được yêu cầu để truyền thông tin về một đối tượng. Nhưng chúng phá hủy trạng thái lượng tử và chúng ta không có cách nào để đo lại nó. Dịch chuyển tức thời lượng tử được sử dụng để chuyển, chuyển một trạng thái nhất định, có thông tin tối thiểu về nó, mà không cần "nhìn" vào nó, không đo lường nó và do đó không vi phạm nó.

qubit

Một qubit là trạng thái được truyền đi trong quá trình dịch chuyển tức thời lượng tử. Một bit lượng tử ở trạng thái chồng chất của hai trạng thái. Ví dụ, trạng thái cổ điển ở trạng thái 0 hoặc trạng thái 1. Trạng thái lượng tử ở trạng thái chồng chất, và điều rất quan trọng là nó sẽ không được xác định cho đến khi chúng ta đo được nó. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có một qubit ở mức 30% - 0 và 70% - 1. Nếu chúng ta đo nó, chúng ta có thể nhận được cả 0 và 1. Không thể nói trước điều gì cho một phép đo. Nhưng nếu chúng ta chuẩn bị 100, 1000 trạng thái giống hệt nhau như vậy và đo đi đo lại chúng, thì chúng ta có thể mô tả khá chính xác trạng thái này và hiểu rằng nó thực sự là 30% - 0 và 70% - 1.

Đây là một ví dụ về thu thập thông tin theo cách cổ điển. Sau khi nhận được một lượng lớn dữ liệu, người nhận có thể tạo lại trạng thái này. Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho phép chúng ta không chuẩn bị nhiều trạng thái. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta chỉ có một, duy nhất và không có cái nào giống như vậy. Sau đó, trong kinh điển sẽ không còn có thể truyền đạt nó. Về mặt vật lý, trực tiếp, điều này cũng không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được. Và trong cơ học lượng tử, chúng ta có thể sử dụng hiệu ứng vướng víu.

Chúng tôi cũng sử dụng hiện tượng phi định lượng lượng tử, tức là một hiện tượng không thể xảy ra trong thế giới quen thuộc với chúng ta, để trạng thái này biến mất ở đây và xuất hiện ở đó. Hơn nữa, điều thú vị nhất là liên quan đến các đối tượng lượng tử giống nhau, có một định lý không nhân bản. Tức là không thể tạo ra trạng thái giống hệt thứ hai. Cái này phải bị tiêu diệt thì cái kia mới xuất hiện.

rối lượng tử

hiệu ứng vướng víu là gì? Đây là hai trạng thái được chuẩn bị theo một cách đặc biệt, hai đối tượng lượng tử - qubit. Để đơn giản, chúng ta có thể lấy photon. Nếu các photon này cách nhau một khoảng lớn, chúng sẽ tương quan với nhau. Nó có nghĩa là gì? Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có một photon màu xanh lam và một photon màu xanh lá cây khác. Nếu chúng ta đập vỡ chúng, nhìn và tôi có màu xanh lam, thì bạn hóa ra có màu xanh lục và ngược lại. Hoặc nếu bạn lấy một hộp giày, trong đó có một chiếc giày bên phải và bên trái, hãy lặng lẽ kéo chúng ra và lấy một chiếc giày cho bạn vào túi, chiếc còn lại cho tôi. Thế là tôi mở cái túi ra, tôi nhìn: Tôi có cái đúng rồi. Vì vậy, bạn chắc chắn ở bên trái.

Trường hợp lượng tử khác ở chỗ trạng thái đến với tôi trước khi đo không phải là xanh lam cũng không phải xanh lục - nó ở trạng thái chồng chất của xanh lam và xanh lục. Sau khi bạn tách đôi giày, kết quả đã được xác định trước. Trong khi những chiếc túi đang được mang đi, chúng vẫn chưa được mở ra, nhưng đã rõ ràng những gì sẽ ở đó. Và trong khi các đối tượng lượng tử không được đo lường, vẫn chưa có gì được quyết định.

Nếu chúng ta không lấy màu, mà phân cực, nghĩa là hướng dao động của điện trường, thì có thể phân biệt hai tùy chọn: phân cực dọc và ngang và +45 ° - -45 °. Nếu bạn cộng chiều ngang và chiều dọc theo tỷ lệ bằng nhau, bạn sẽ nhận được +45 °, nếu bạn trừ cái này cho cái kia, thì -45 °. Bây giờ hãy tưởng tượng rằng theo cùng một cách mà một photon đập vào tôi và một photon kia đập vào bạn. Tôi nhìn: nó thẳng đứng. Vậy là bạn nằm ngang. Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng tôi đã nhìn thấy một đường thẳng đứng và bạn nhìn nó theo đường chéo, nghĩa là bạn xem nó là +45 ° hay -45 °, bạn sẽ thấy một kết quả khác với xác suất như nhau. Nhưng nếu tôi nhìn vào đường chéo cơ bản và thấy +45°, thì tôi biết chắc rằng bạn có -45°.

Nghịch lý Einstein-Podolsky-Rosen

Rối lượng tử gắn liền với các tính chất cơ bản của cơ học lượng tử và cái gọi là nghịch lý Einstein-Podolsky-Rosen. Einstein đã phản đối cơ học lượng tử bấy lâu nay vì ông tin rằng tự nhiên không thể truyền thông tin về một trạng thái với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Chúng ta có thể truyền các photon đi rất xa, chẳng hạn như một năm ánh sáng, đồng thời mở chúng ra. Và chúng ta sẽ vẫn thấy mối tương quan này.

Nhưng trên thực tế, điều này không vi phạm thuyết tương đối, bởi vì chúng ta vẫn không thể truyền thông tin bằng hiệu ứng này. Một photon dọc hoặc ngang được đo. Nhưng nó không được biết trước những gì nó sẽ được. Mặc dù thực tế là không thể truyền thông tin nhanh hơn tốc độ ánh sáng, nhưng sự vướng víu cho phép thực hiện giao thức dịch chuyển tức thời lượng tử. Nó là gì? Một cặp photon vướng víu được sinh ra. Một cái đi đến máy phát, cái kia - đến máy thu. Máy phát cùng nhau đo photon mục tiêu mà nó sẽ truyền. Và với xác suất ¼ anh ta sẽ nhận được kết quả OK. Anh ta có thể báo cáo điều này với người nhận, và người nhận tại thời điểm đó sẽ biết rằng anh ta có cùng tình trạng với người phát. Và với xác suất là ¾, anh ta nhận được một kết quả khác - không hẳn là một phép đo không thành công, mà chỉ là một kết quả khác. Nhưng trong mọi trường hợp, đây là thông tin hữu ích có thể được chuyển đến người nhận. Máy thu trong ba trong số bốn trường hợp phải thực hiện thêm một vòng quay qubit của nó để nhận trạng thái được truyền. Đó là, 2 bit thông tin được truyền đi và với sự trợ giúp của chúng, bạn có thể dịch chuyển tức thời một trạng thái phức tạp mà chúng không thể mã hóa được.

mật mã lượng tử

Một trong những ứng dụng chính của dịch chuyển tức thời lượng tử là cái gọi là mật mã lượng tử. Ý tưởng đằng sau công nghệ này là không thể nhân bản một photon đơn lẻ. Do đó, chúng ta có thể truyền thông tin trong một photon đơn lẻ này và không ai có thể sao chép nó. Hơn nữa, với bất kỳ nỗ lực nào của ai đó để tìm hiểu điều gì đó về thông tin này, trạng thái của photon sẽ thay đổi hoặc sụp đổ. Theo đó, bất kỳ nỗ lực nào để có được thông tin này của người ngoài sẽ được chú ý. Điều này có thể được sử dụng trong mật mã, trong bảo mật thông tin. Đúng, nó không phải là thông tin hữu ích được truyền đi, mà là một khóa, sau đó về mặt kinh điển giúp truyền thông tin một cách hoàn toàn đáng tin cậy.

Công nghệ này có một nhược điểm lớn. Thực tế là, như chúng ta đã nói trước đó, không thể tạo ra một bản sao của một photon. Tín hiệu sợi thông thường có thể được khuếch đại. Đối với trường hợp lượng tử, không thể khuếch đại tín hiệu, vì độ khuếch đại sẽ tương đương với một bộ chặn nào đó. Trong cuộc sống thực, trên các đường dây thực, việc truyền tải bị giới hạn trong khoảng cách xấp xỉ 100 km. Vào năm 2016, Trung tâm lượng tử của Nga đã tổ chức một cuộc trình diễn trên đường dây của Gazprombank, nơi họ trình diễn mật mã lượng tử trên 30 km sợi quang trong môi trường đô thị.

Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi có thể hiển thị dịch chuyển tức thời lượng tử ở khoảng cách lên tới 327 km. Nhưng thật không may, khoảng cách xa là không thực tế, vì các photon bị mất trong sợi quang và tốc độ rất thấp. phải làm gì? Bạn có thể đặt một máy chủ trung gian sẽ nhận thông tin, giải mã, sau đó mã hóa lại và truyền đi xa hơn. Ví dụ, đây là điều mà người Trung Quốc làm khi xây dựng mạng mật mã lượng tử của họ. Cách tiếp cận tương tự được sử dụng bởi người Mỹ.

Dịch chuyển lượng tử trong trường hợp này là một phương pháp mới cho phép giải bài toán mật mã lượng tử và tăng khoảng cách lên hàng nghìn km. Và trong trường hợp này, cùng một photon được truyền đi sẽ được dịch chuyển liên tục. Nhiều nhóm trên khắp thế giới đang thực hiện nhiệm vụ này.

bộ nhớ lượng tử

Hãy tưởng tượng một chuỗi dịch chuyển tức thời. Mỗi liên kết có một trình tạo các cặp vướng víu, phải tạo và phân phối chúng. Điều này không phải lúc nào cũng diễn ra tốt đẹp. Đôi khi, bạn cần đợi cho đến khi lần thử phân phối cặp tiếp theo diễn ra thành công. Và qubit phải có một nơi nào đó để chờ dịch chuyển tức thời. Đây là bộ nhớ lượng tử.

Trong mật mã lượng tử, đây là một loại trạm cách. Những trạm như vậy được gọi là bộ lặp lượng tử, và chúng hiện là một trong những lĩnh vực chính để nghiên cứu và thử nghiệm. Đây là một chủ đề phổ biến, vào đầu những năm 2010, các bộ lặp là một viễn cảnh rất xa vời, nhưng bây giờ nhiệm vụ này có vẻ khả thi. Phần lớn là do công nghệ không ngừng phát triển, bao gồm cả thông qua các tiêu chuẩn viễn thông.

Quá trình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

Nếu bạn đến Phòng thí nghiệm truyền thông lượng tử, bạn sẽ thấy rất nhiều thiết bị điện tử và cáp quang. Tất cả quang học là tiêu chuẩn, viễn thông, laser nằm trong hộp tiêu chuẩn nhỏ - chip. Nếu bạn bước vào phòng thí nghiệm Alexander Lvovsky, cụ thể là ở đâu, chúng thực hiện dịch chuyển tức thời, khi đó bạn sẽ thấy một bảng quang học, được ổn định trên các giá đỡ khí nén. Tức là nếu bạn dùng ngón tay chạm vào chiếc bàn nặng cả tấn này, nó sẽ bắt đầu bồng bềnh, lắc lư. Điều này được thực hiện bởi vì kỹ thuật thực hiện các giao thức lượng tử rất nhạy cảm. Nếu bạn đứng vững và đi bộ xung quanh, thì tất cả sẽ phụ thuộc vào sự rung động của chiếc bàn. Đó là, đây là quang học mở, tia laser khá lớn đắt tiền. Nhìn chung, đây là một trang bị khá cồng kềnh.

Trạng thái ban đầu được chuẩn bị bởi tia laser. Để chuẩn bị các trạng thái vướng víu, một tinh thể phi tuyến được sử dụng, được bơm bằng xung hoặc laze cw. Các cặp photon được tạo ra do các hiệu ứng phi tuyến tính. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có một photon năng lượng hai - ℏ(2ω), nó được chuyển đổi thành hai photon năng lượng một - ℏω + ℏω. Các photon này chỉ sinh ra cùng nhau, không thể tách photon này ra trước rồi đến photon khác. Và chúng được kết nối (vướng víu) và thể hiện các mối tương quan phi cổ điển.

Lịch sử và nghiên cứu hiện tại

Vì vậy, trong trường hợp dịch chuyển tức thời lượng tử, một hiệu ứng được quan sát thấy mà chúng ta không thể quan sát được trong cuộc sống hàng ngày. Nhưng mặt khác, có một hình ảnh rất đẹp, tuyệt vời, thích hợp nhất để mô tả hiện tượng này, đó là lý do tại sao họ gọi nó là - dịch chuyển tức thời lượng tử. Như đã đề cập, không có thời điểm nào qubit vẫn tồn tại ở đây, nhưng nó đã xuất hiện ở đó. Đó là, nó bị phá hủy lần đầu tiên ở đây, và chỉ sau đó xuất hiện ở đó. Đây là dịch chuyển tức thời tương tự.

Dịch chuyển tức thời lượng tử được đề xuất về mặt lý thuyết vào năm 1993 bởi một nhóm các nhà khoa học Mỹ do Charles Bennett đứng đầu - sau đó thuật ngữ này xuất hiện. Việc triển khai thử nghiệm đầu tiên được thực hiện vào năm 1997 bởi hai nhóm nhà vật lý cùng một lúc ở Innsbruck và Rome. Dần dần, các nhà khoa học đã quản lý để truyền các trạng thái trên một khoảng cách ngày càng tăng - từ một mét đến hàng trăm km trở lên.

Hiện nay người ta đang cố gắng thực hiện những thí nghiệm mà có lẽ trong tương lai sẽ trở thành cơ sở cho các bộ lặp lượng tử. Dự kiến ​​sau 5–10 năm nữa chúng ta sẽ thấy các bộ lặp lượng tử thực sự. Hướng chuyển trạng thái giữa các vật thể có bản chất khác nhau cũng đang phát triển, kể cả vào tháng 5 năm 2016, một dịch chuyển tức thời lượng tử lai đã được thực hiện tại Trung tâm lượng tử, trong phòng thí nghiệm của Alexander Lvovsky. Lý thuyết cũng không đứng yên. Trong cùng một Trung tâm lượng tử, dưới sự lãnh đạo của Alexei Fedorov, một giao thức dịch chuyển tức thời đang được phát triển không phải theo một hướng mà là hai chiều, để dịch chuyển các trạng thái đồng thời về phía nhau với sự trợ giúp của một cặp.

Là một phần trong công việc của chúng tôi về mật mã lượng tử, chúng tôi tạo ra một thiết bị khóa và phân phối lượng tử, nghĩa là chúng tôi tạo ra một khóa không thể bị chặn. Và sau đó, người dùng có thể mã hóa thông tin bằng khóa này bằng cách sử dụng cái gọi là bộ đệm một lần. Những lợi thế mới của công nghệ lượng tử sẽ được tiết lộ trong thập kỷ tới. Việc tạo ra các cảm biến lượng tử đang được phát triển. Bản chất của chúng là do hiệu ứng lượng tử, chúng ta có thể đo, chẳng hạn như từ trường, nhiệt độ chính xác hơn nhiều. Đó là, cái gọi là trung tâm NV trong kim cương được lấy - đây là những viên kim cương nhỏ, chúng có các khuyết tật nitơ hoạt động giống như các vật thể lượng tử. Chúng rất giống với một nguyên tử đơn lẻ bị đóng băng. Nhìn vào khiếm khuyết này, người ta có thể quan sát những thay đổi về nhiệt độ và bên trong một tế bào. Đó là, không chỉ đo nhiệt độ dưới cánh tay mà còn đo nhiệt độ của cơ quan bên trong tế bào.

Trung tâm Lượng tử Nga cũng có một dự án đi-ốt spin. Ý tưởng là chúng ta có thể lấy một ăng-ten và bắt đầu thu năng lượng rất hiệu quả từ sóng vô tuyến nền. Chỉ cần nhớ có bao nhiêu nguồn Wi-Fi hiện có ở các thành phố là đủ để hiểu rằng có rất nhiều năng lượng sóng vô tuyến xung quanh. Nó có thể được sử dụng cho các cảm biến đeo được (ví dụ: cho cảm biến mức đường trong máu). Họ cần nguồn cung cấp năng lượng liên tục: pin hoặc hệ thống thu năng lượng, kể cả từ điện thoại di động. Đó là, một mặt, những vấn đề này có thể được giải quyết với cơ sở nguyên tố hiện có với chất lượng nhất định, mặt khác, các công nghệ lượng tử có thể được áp dụng và vấn đề này có thể được giải quyết tốt hơn, thậm chí thu nhỏ hơn.

Cơ học lượng tử đã làm thay đổi rất nhiều cuộc sống của con người. Chất bán dẫn, bom nguyên tử, năng lượng hạt nhân - đây đều là những vật thể hoạt động nhờ nó. Cả thế giới hiện đang đấu tranh để bắt đầu kiểm soát các tính chất lượng tử của các hạt đơn lẻ, bao gồm cả những hạt vướng víu. Ví dụ, ba hạt tham gia dịch chuyển tức thời: một cặp và mục tiêu. Nhưng mỗi người trong số họ được kiểm soát riêng. Việc kiểm soát riêng lẻ các hạt cơ bản mở ra những chân trời mới cho công nghệ, bao gồm cả máy tính lượng tử.

Yuri Kurochkin, Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học, Trưởng phòng thí nghiệm Truyền thông Lượng tử của Trung tâm Lượng tử Nga.

thẻ:

Thêm thẻ

Trên trang web của tạp chí Nature, vào ngày 9 tháng 8, xuất hiện các nhà khoa học Trung Quốc đã thành công trong việc thực hiện dịch chuyển tức thời lượng tử trong khoảng cách khoảng 97 km. Đây là một kỷ lục mới, mặc dù arXiv.org đã có trên arXiv.org từ ngày 17 tháng 5 cho một nhóm khác chưa được công bố ở bất kỳ đâu báo cáo các thí nghiệm thành công về dịch chuyển tức thời trên khoảng cách khoảng 143 km.

Mặc dù thực tế là hiện tượng dịch chuyển tức thời lượng tử đã được nghiên cứu từ khá lâu, nhưng những người ở xa khoa học vẫn chưa hiểu nó là gì. Tôi sẽ cố gắng xua tan một số huyền thoại liên quan đến phần khoa học này.

Lầm tưởng 1: Về mặt lý thuyết, dịch chuyển tức thời lượng tử cho phép bạn dịch chuyển tức thời bất kỳ đối tượng nào.

Trên thực tế, trong quá trình dịch chuyển tức thời lượng tử, không phải các vật thể vật lý được truyền đi mà một số thông tin được ghi lại bằng cách sử dụng trạng thái lượng tử của các vật thể. Thông thường trạng thái này là sự phân cực của các photon. Như đã biết, một photon có thể có hai phân cực khác nhau: ví dụ: ngang và dọc. Chúng có thể được sử dụng làm vật mang thông tin bit: giả sử, 0 sẽ tương ứng với phân cực ngang và 1 tương ứng với phân cực dọc. Khi đó sự chuyển trạng thái của photon này sang photon khác sẽ đảm bảo cho việc truyền thông tin.

Trong trường hợp dịch chuyển tức thời lượng tử, quá trình truyền dữ liệu diễn ra như sau. Đầu tiên, một cặp gọi là photon vướng víu được tạo ra. Điều này có nghĩa là các trạng thái của chúng hóa ra được kết nối theo một nghĩa nào đó: nếu một trong số chúng có sự phân cực ngang trong quá trình đo, thì trạng thái kia sẽ luôn có sự phân cực dọc và ngược lại, và cả hai trạng thái này đều xảy ra với cùng một xác suất. Sau đó, các photon này lan truyền: một photon ở lại nguồn của thông điệp và photon kia được mang đi bởi người nhận của nó.

Khi một nguồn muốn truyền thông điệp của mình, nó sẽ liên kết photon của nó với một photon khác có trạng thái (tức là độ phân cực) được biết chính xác, sau đó đo độ phân cực của cả hai photon của nó. Tại thời điểm này, trạng thái của photon nằm ở máy thu cũng thay đổi một cách nhất quán. Bằng cách đo độ phân cực của nó và học từ các kênh liên lạc khác kết quả đo các photon nguồn, máy thu có thể xác định chính xác bit thông tin nào đã được truyền đi.

Lầm tưởng 2: Với sự trợ giúp của dịch chuyển tức thời lượng tử, thông tin có thể được truyền đi với tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng.

Thật vậy, theo các ý tưởng hiện đại, sự chuyển trạng thái giữa các photon vướng víu xảy ra ngay lập tức, do đó, có thể có cảm giác rằng thông tin được truyền đi ngay lập tức. Tuy nhiên, điều này không phải như vậy, vì mặc dù trạng thái đã được truyền đi, nhưng chỉ có thể đọc nó, giải mã thông báo sau khi truyền thông tin bổ sung về sự phân cực của hai photon nằm ở nguồn. Thông tin bổ sung này được truyền qua các kênh liên lạc cổ điển và tốc độ truyền của nó không thể vượt quá tốc độ ánh sáng.

Lầm tưởng 3: Hóa ra dịch chuyển tức thời lượng tử hoàn toàn không thú vị.

Tất nhiên, trong thực tế, hóa ra quá trình dịch chuyển tức thời lượng tử có thể không thú vị như tên gọi của nó, nhưng nó cũng có thể có những ứng dụng thực tế quan trọng. Trước hết, nó là một truyền dữ liệu an toàn. Luôn có thể chặn một tin nhắn được gửi qua các kênh liên lạc cổ điển, nhưng chỉ người có photon được ghép nối thứ hai mới có thể sử dụng nó. Mọi người khác sẽ không thể đọc tin nhắn. Thật không may, việc sử dụng hiệu ứng này vẫn còn rất xa, ở giai đoạn này, chỉ có các thí nghiệm khoa học đòi hỏi thiết bị khá tinh vi mới được thực hiện.

Nếu bạn quan tâm đến chủ đề này, bạn cũng có thể quan tâm đến việc đọc về những gì

Giáo sư Khoa Vật lý tại Đại học Calgary (Canada), thành viên của Viện Nghiên cứu Cao học Canada Alexander Lvovsky đã cố gắng trình bày một cách đơn giản về các nguyên tắc của dịch chuyển tức thời lượng tử và mật mã lượng tử.

Chìa khóa lâu đài

Mật mã là nghệ thuật giao tiếp an toàn qua một kênh không an toàn. Tức là bạn có một dòng nhất định có thể nghe được và bạn cần gửi một thông điệp bí mật qua đó mà không ai khác có thể đọc được.

Hãy tưởng tượng rằng, giả sử, nếu Alice và Bob có cái gọi là khóa bí mật, cụ thể là, một chuỗi bí mật gồm các số 0 và 1 mà không ai khác có, họ có thể mã hóa một tin nhắn bằng khóa này, áp dụng thao tác XOR sao cho số 0 khớp với không, và một với một. Một tin nhắn được mã hóa như vậy đã có thể được truyền qua một kênh mở. Nếu ai đó chặn nó, không sao cả, vì không ai có thể đọc nó, ngoại trừ Bob, người có một bản sao của khóa bí mật.

Trong bất kỳ mật mã nào, trong bất kỳ giao tiếp nào, tài nguyên đắt nhất là một chuỗi ngẫu nhiên gồm các số 0 và 1, chỉ được sở hữu bởi hai giao tiếp. Nhưng trong hầu hết các trường hợp, mật mã khóa công khai được sử dụng. Giả sử bạn mua thứ gì đó bằng thẻ tín dụng trong một cửa hàng trực tuyến bằng giao thức HTTPS an toàn. Theo nó, máy tính của bạn đang nói chuyện với một số máy chủ mà nó chưa từng liên lạc trước đây và nó không có cơ hội trao đổi khóa bí mật với máy chủ này.

Bí ẩn của cuộc đối thoại này được cung cấp bằng cách giải quyết một vấn đề toán học phức tạp, đặc biệt là phân tích thành các thừa số nguyên tố. Nhân hai số nguyên tố thì dễ, nhưng nếu đã giao nhiệm vụ tìm tích của chúng, tìm hai thừa số thì khó. Nếu con số đủ lớn, nó sẽ cần nhiều năm tính toán từ một máy tính thông thường.

Tuy nhiên, nếu máy tính này không phải là máy tính thông thường mà là máy tính lượng tử, nó sẽ giải quyết vấn đề như vậy một cách dễ dàng. Cuối cùng, khi nó được phát minh, phương pháp được sử dụng rộng rãi ở trên sẽ trở nên vô dụng, điều này được cho là sẽ gây ra thảm họa cho xã hội.

Nếu bạn còn nhớ, trong cuốn sách Harry Potter đầu tiên, nhân vật chính phải qua cửa an ninh để đến được Hòn đá phù thủy. Có một điều tương tự ở đây: đối với những người đã thiết lập sự bảo vệ, sẽ dễ dàng vượt qua nó. Điều đó rất khó khăn với Harry nhưng cuối cùng cậu ấy vẫn vượt qua được.

Ví dụ này minh họa rất rõ về mật mã khóa công khai. Bất cứ ai không biết anh ấy về nguyên tắc đều có thể giải mã được các thông điệp, nhưng điều đó sẽ rất khó khăn đối với anh ấy và điều này có thể sẽ mất nhiều năm. Mật mã khóa công khai không cung cấp bảo mật tuyệt đối.

mật mã lượng tử

Tất cả điều này giải thích sự cần thiết của mật mã lượng tử. Cô ấy cho chúng tôi những điều tốt nhất của cả hai thế giới. Có một phương pháp pad một lần, đáng tin cậy, nhưng mặt khác, yêu cầu một khóa bí mật "đắt tiền". Để Alice có thể giao tiếp với Bob, cô ấy phải gửi cho anh ta một người chuyển phát nhanh với một va li chứa đầy các đĩa chứa các chìa khóa đó. Anh ta sẽ tiêu thụ chúng dần dần, vì mỗi thứ chỉ có thể được sử dụng một lần. Mặt khác, chúng tôi có phương pháp khóa công khai, "rẻ" nhưng không cung cấp bảo mật tuyệt đối.

Một mặt, mật mã lượng tử là "rẻ", nó cho phép truyền khóa an toàn qua một kênh có thể bị xâm nhập, mặt khác, nó đảm bảo tính bí mật do các định luật vật lý cơ bản. Ý nghĩa của nó là mã hóa thông tin ở trạng thái lượng tử của các photon riêng lẻ.

Theo các định đề của vật lý lượng tử, trạng thái lượng tử tại thời điểm nó được cố gắng đo sẽ bị phá hủy và thay đổi. Do đó, nếu có một gián điệp nào đó trên đường dây giữa Alice và Bob đang cố gắng nghe trộm hoặc nhìn trộm, anh ta chắc chắn sẽ thay đổi trạng thái của các photon, những người liên lạc sẽ nhận thấy rằng đường dây đang bị nghe lén, ngừng liên lạc và hành động.

Không giống như nhiều công nghệ lượng tử khác, mật mã lượng tử mang tính thương mại, không phải khoa học viễn tưởng. Đã có những công ty sản xuất máy chủ được kết nối với một đường cáp quang thông thường, qua đó bạn có thể liên lạc một cách an toàn.

Cách thức hoạt động của bộ tách chùm tia phân cực

Ánh sáng là sóng điện từ ngang, không dao động dọc mà dao động ngang. Tính chất này được gọi là sự phân cực, và nó có mặt ngay cả trong các photon riêng lẻ. Chúng có thể được sử dụng để mã hóa thông tin. Ví dụ, một photon nằm ngang bằng không và một photon thẳng đứng là một (điều này cũng đúng đối với các photon có phân cực cộng 45 độ và âm 45 độ).

Alice đã mã hóa thông tin theo cách này và Bob cần phải chấp nhận nó. Đối với điều này, một thiết bị đặc biệt được sử dụng - bộ tách chùm tia phân cực, một khối bao gồm hai lăng kính được dán lại với nhau. Nó truyền một luồng phân cực theo chiều ngang và phản xạ một luồng phân cực theo chiều dọc, nhờ đó thông tin được giải mã. Nếu photon nằm ngang bằng không và photon dọc là một, thì một máy dò sẽ nhấp trong trường hợp số 0 logic và máy dò kia trong trường hợp là một.

Nhưng điều gì xảy ra nếu chúng ta gửi một photon chéo? Sau đó, tai nạn lượng tử nổi tiếng bắt đầu đóng một vai trò nào đó. Không thể nói liệu một photon như vậy sẽ đi qua hay bị phản xạ - nó sẽ đi qua hoặc phản xạ với xác suất 50 phần trăm. Dự đoán hành vi của anh ta là không thể về nguyên tắc. Hơn nữa, thuộc tính này làm cơ sở cho các trình tạo số ngẫu nhiên thương mại.

Phải làm gì nếu chúng ta có nhiệm vụ phân biệt các phân cực cộng 45 độ và trừ 45 độ? Cần xoay bộ tách chùm xung quanh trục chùm. Sau đó, định luật ngẫu nhiên lượng tử sẽ hoạt động đối với các photon có sự phân cực ngang và dọc. Tài sản này là cơ bản. Chúng ta không thể hỏi photon này có sự phân cực nào.

Nguyên lý mật mã lượng tử

Ý tưởng đằng sau mật mã lượng tử là gì? Giả sử Alice gửi một photon cho Bob, mà cô ấy mã hóa theo chiều ngang-dọc hoặc theo đường chéo. Bob cũng tung một đồng xu, quyết định ngẫu nhiên xem cơ sở của anh ấy sẽ là ngang-dọc hay chéo. Nếu phương pháp mã hóa của họ phù hợp, Bob sẽ nhận được dữ liệu do Alice gửi, nếu không, thì một số điều vô nghĩa. Họ thực hiện thao tác này hàng nghìn lần, sau đó “gọi” qua một kênh mở và cho nhau biết họ đã thực hiện chuyển khoản dựa trên cơ sở nào - chúng ta có thể giả định rằng thông tin này hiện có sẵn cho bất kỳ ai. Tiếp theo, Bob và Alice sẽ có thể loại bỏ các sự kiện trong đó các căn cứ khác nhau và để lại những sự kiện giống nhau (sẽ có khoảng một nửa trong số đó).

Giả sử một điệp viên nào đó đã xen vào đường dây muốn nghe trộm tin nhắn, nhưng anh ta cũng cần đo lường thông tin trên cơ sở nào đó. Hãy tưởng tượng rằng Alice và Bob có giống nhau, nhưng điệp viên thì không. Trong tình huống dữ liệu được gửi theo chiều ngang-dọc và kẻ nghe trộm đo đường truyền theo đường chéo, anh ta sẽ nhận được một giá trị ngẫu nhiên và chuyển tiếp một số photon tùy ý cho Bob, vì anh ta không biết nó phải là gì. Vì vậy, sự can thiệp của anh ta sẽ được chú ý.

Vấn đề lớn nhất trong mật mã lượng tử là mất mát. Ngay cả sợi quang tốt nhất và hiện đại nhất cũng bị suy hao 50% cho mỗi 10-12 km cáp. Giả sử chúng ta gửi chìa khóa bí mật của mình từ Moscow đến St. Petersburg - trong 750 km và chỉ một trong số một tỷ tỷ photon sẽ đến được mục tiêu. Tất cả điều này làm cho công nghệ hoàn toàn không thực tế. Đó là lý do tại sao mật mã lượng tử hiện đại chỉ hoạt động ở khoảng cách khoảng 100 km. Về mặt lý thuyết, người ta đã biết cách giải quyết vấn đề này - với sự trợ giúp của các bộ lặp lượng tử, nhưng việc triển khai chúng đòi hỏi phải dịch chuyển tức thời lượng tử.

rối lượng tử

Định nghĩa khoa học về rối lượng tử là một trạng thái chồng chất được định vị lại. Nghe có vẻ phức tạp, nhưng có thể đưa ra một ví dụ đơn giản. Giả sử chúng ta có hai photon: ngang và dọc, có trạng thái lượng tử phụ thuộc lẫn nhau. Chúng tôi gửi một trong số chúng cho Alice và cái còn lại cho Bob, người thực hiện các phép đo trên bộ tách chùm tia phân cực.

Khi các phép đo này được thực hiện theo cơ sở ngang-dọc thông thường, rõ ràng là kết quả sẽ tương quan với nhau. Nếu Alice nhận thấy một photon nằm ngang, thì dĩ nhiên, cái thứ hai sẽ thẳng đứng và ngược lại. Có thể tưởng tượng điều này một cách đơn giản hơn: chúng ta có một quả bóng màu xanh và đỏ, chúng ta dán từng quả bóng vào phong bì mà không cần nhìn và gửi cho hai người nhận - nếu một người nhận được màu đỏ thì người thứ hai chắc chắn sẽ nhận được màu xanh lam.

Nhưng trong trường hợp vướng víu lượng tử, vấn đề không chỉ giới hạn ở điều này. Mối tương quan này không chỉ diễn ra trên cơ sở ngang-dọc mà còn ở bất kỳ cơ sở nào khác. Ví dụ: nếu Alice và Bob xoay bộ tách chùm của họ 45 độ cùng một lúc, họ sẽ lại có một kết hợp hoàn hảo.

Đây là một hiện tượng lượng tử rất kỳ lạ. Giả sử Alice bằng cách nào đó đã xoay bộ tách chùm tia của mình và tìm thấy một số photon có độ phân cực α đi qua nó. Nếu Bob đo photon của anh ấy trên cùng một cơ sở, anh ấy sẽ tìm thấy sự phân cực 90 độ +α.

Vì vậy, lúc đầu chúng ta có một trạng thái vướng víu: photon của Alice hoàn toàn không xác định và photon của Bob hoàn toàn không xác định. Khi Alice đo photon của cô ấy, tìm thấy một số giá trị, bây giờ chúng ta biết chính xác Bob có photon nào, bất kể anh ấy ở xa bao nhiêu. Hiệu ứng này đã được xác nhận nhiều lần bằng các thí nghiệm, đây không phải là điều viển vông.

Giả sử Alice có một photon nhất định với phân cực α mà cô ấy chưa biết, tức là ở trạng thái chưa biết. Không có kênh trực tiếp giữa cô ấy và Bob. Nếu có một kênh, thì Alice sẽ có thể đăng ký trạng thái của photon và truyền thông tin này cho Bob. Nhưng không thể biết trạng thái lượng tử trong một lần đo nên phương pháp này không phù hợp. Tuy nhiên, giữa Alice và Bob có một cặp photon vướng víu được chuẩn bị trước. Do đó, có thể làm cho photon của Bob mang trạng thái ban đầu của photon của Alice, được "gọi điện" sau này trên một đường dây điện thoại có điều kiện.

Đây là một cổ điển (mặc dù là một chất tương tự rất xa) của tất cả những điều này. Alice và Bob mỗi người nhận được một quả bóng bay màu đỏ hoặc xanh trong phong bì. Alice muốn gửi cho Bob thông tin về những gì cô ấy có. Để làm được điều này, cô ấy cần “gọi điện” cho Bob, so sánh các quả bóng, nói với anh ấy “Tôi có một quả bóng giống nhau” hoặc “Chúng tôi có những quả bóng khác nhau”. Nếu ai đó nghe lén dòng này, nó sẽ không giúp anh ta nhận ra màu sắc của chúng.

Do đó, có bốn tùy chọn cho kết quả của các sự kiện (có điều kiện, người nhận có bóng bay màu xanh lam, bóng bay màu đỏ, đỏ và xanh lam hoặc xanh lam và đỏ). Chúng thú vị bởi vì chúng tạo thành một cơ sở. Nếu chúng ta có hai photon với sự phân cực chưa biết, thì chúng ta có thể “đặt câu hỏi” cho chúng ở trạng thái nào trong số những trạng thái này và nhận được câu trả lời. Nhưng nếu ít nhất một trong số chúng bị vướng víu với một số photon khác, thì hiệu ứng chuẩn bị từ xa sẽ xảy ra và photon thứ ba, từ xa sẽ “chuẩn bị” ở một trạng thái nhất định. Đây là những gì dịch chuyển tức thời lượng tử dựa trên.

Làm thế nào để tất cả hoạt động? Chúng ta có một trạng thái vướng víu và một photon mà chúng ta muốn dịch chuyển tức thời. Alice phải thực hiện một phép đo thích hợp cho photon được dịch chuyển tức thời ban đầu và hỏi xem photon kia đang ở trạng thái nào. Một cách ngẫu nhiên, cô ấy nhận được một trong bốn câu trả lời có thể. Do hiệu ứng nấu ăn từ xa, hóa ra sau phép đo này, tùy thuộc vào kết quả, photon của Bob đã chuyển sang một trạng thái nhất định. Trước đó, anh ta bị vướng vào photon của Alice, ở trong trạng thái vô định.

Alice nói với Bob qua điện thoại số đo của cô ấy là bao nhiêu. Giả sử, nếu kết quả của nó hóa ra là ψ-, thì Bob biết rằng photon của anh ấy đã tự động chuyển thành trạng thái này. Nếu Alice báo cáo rằng phép đo của cô cho kết quả ψ+, thì photon của Bob có phân cực -α. Vào cuối thí nghiệm dịch chuyển tức thời, Bob có một bản sao photon ban đầu của Alice, và photon của cô ấy cũng như thông tin về nó bị phá hủy trong quá trình này.

công nghệ dịch chuyển tức thời

Bây giờ chúng ta có thể dịch chuyển tức thời sự phân cực của photon và một số trạng thái của nguyên tử. Nhưng khi họ viết, họ nói, các nhà khoa học đã học cách dịch chuyển tức thời các nguyên tử - đây là một sự lừa dối, bởi vì các nguyên tử có rất nhiều trạng thái lượng tử, một tập hợp vô hạn. Tốt nhất, chúng tôi đã tìm ra cách dịch chuyển tức thời một vài người trong số họ.

Câu hỏi yêu thích của tôi là khi nào dịch chuyển tức thời của con người sẽ diễn ra? Câu trả lời là không bao giờ. Giả sử chúng ta có Thuyền trưởng Picard từ loạt phim Star Trek, người cần được dịch chuyển tức thời lên bề mặt hành tinh từ một con tàu. Để làm được điều này, như chúng ta đã biết, chúng ta cần tạo thêm một vài chiếc Picard giống nhau, đưa chúng vào trạng thái bối rối bao gồm tất cả các trạng thái có thể có của nó (tỉnh táo, say rượu, ngủ, hút thuốc - hoàn toàn là mọi thứ) và thực hiện các phép đo trên cả hai. Rõ ràng là điều này khó khăn và phi thực tế như thế nào.

Dịch chuyển tức thời lượng tử là một hiện tượng thú vị nhưng trong phòng thí nghiệm. Mọi thứ sẽ không đến với sự dịch chuyển của các sinh vật sống (ít nhất là trong tương lai gần). Tuy nhiên, nó có thể được sử dụng trong thực tế để tạo ra các bộ lặp lượng tử để truyền thông tin trên một khoảng cách dài.