Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

В этой книге мы в основном сконцентрировались на том, как аспекты квантовой физики влияют на нашу повседневную, обычную жизнь, и каким бы восхитительным ни было исследование квантовых основ, наверное, наиболее значительное в квантовой запутанности то, что она не присутствует в нашей повседневной реальности. В повседневной жизни мы просто не видим, что запутанность производит очевидные практические эффекты.

Однако есть одно практическое применение квантовой запутанности: использование ее в квантовой криптографии. Вы можете увидеть это, взглянув на сырые данные[279] для любого эксперимента по запутанным частицам: каждое отдельное измерение в точке А будет давать 0 или 1 случайным образом, но ученый, проводящий эти измерения, будет знать с абсолютной уверенностью, что их соотечественник в точке Б, делая те же измерения, получит противоположные значения. Этот процесс позволяет двум людям, находящимся далеко друг от друга, сгенерировать два списка совершенно случайных чисел, при этом они будут абсолютно коррелировать друг с другом. Это как раз то, что нужно для шифровки и расшифровки секретных посланий.

Еще одна хитрость, основанная на экспериментах типа теста Белла, позволяют нашим секретным физикам исключить возможность подслушивания за счет переключения между различными настройками детекторов при измерении их разделяемых совместно частиц. Алиса и Боб совместно обладают большим количеством пар запутанных частиц (о которых мы будем продолжать говорить, как будто это спины электронов), и по мере продвижения вперед по списку они делают случайный выбор, делать ли измерение верх-низ или лево-право. После того, как они сделали все измерения, Алиса открыто показывает Бобу список того, какие измерения она делала для каждого спина – не для значений, а просто было это измерение верх-низ или лево-право. Примерно половину времени Боб будет делать такие же измерения, и их результаты должны быть полностью коррелированы: где у Алисы получилась 1, у Боба получился 0, и наоборот. Если Боб скажет Алисе, какие измерения были одинаковыми – не результат, просто для каких пар были одинаковые настройки у детектора – они получат набор совершенно коррелированных случайных чисел. Если Алиса находит 1 в этой половине данных, то она может сделать вывод, что у Боба там 0, и наоборот. Они могут использовать эти позиции, чтобы создать ключ, который им нужен для шифрования своих посланий.

Случайное переключение между измерениями замедляет скорость, с какой они генерируют биты для своих ключей, но экранирует возможную прослушку. Чтобы получить хотя бы какой-то шанс выкрасть ключ, супервраг Алисы, Ева, должна перехватить одну из запутанных частиц и сделать свои собственные измерения ее состояния перед тем, как переслать Бобу частицу вместо нее. Причем эта частица должна быть в определенном состоянии, отвечающем результатам ее измерений: если она измеряет спин-вверх и получает результат 1, она подготавливает новую частицу в состоянии 1 и посылает ее Бобу. Однако, поскольку Ева не имеет возможности знать, какое измерение будет сделано, она должна выбирать настройки своего детектора тоже случайным образом, и это неизбежно привнесет ошибки. Если Ева сделает измерение верх-низ, когда Алиса и Боб измеряли левоправо, тогда с 50-процентной вероятностью у них получатся две единицы вместо пары 1–0, которую они ожидали.

Попытка Евы перехватить ключ будет вносить ошибки, это означает, что попытка дешифровать послание создаст какие-то бессмысленные символы. Более важно то, что это позволит Алисе и Бобу обнаружить присутствие Евы, они могут измерить гораздо больше пар, чем им нужно для ключа, и затем выбрать некоторые случайные секции из этого списка для проверки, показав друг другу, не какие измерения были сделаны, но каков результат измерений. Если Алиса и Боб обнаружат слишком много случаев, когда корреляция неполная, они будут знать, что Ева старается перехватить их ключ, и могут принять меры для устранения этой угрозы.

Иллюстрация генерирования квантового ключа. Алиса и Боб разделяют запутанные спины, и каждый из них случайным образом решает, будет он измерять спин вверх/спин вниз или спин влево/спин вправо. Когда их выбор измерения совпадает (затененные квадратики), 0 для Алисы означает 1 для Боба, и наоборот. Если они поделятся информацией, какие измерения они делали для каждого спина, и оставят только результаты для спинов, когда они делали одни и те же измерения, то получат связанные между собой списки случайных чисел, какие они могут использовать как криптографический ключ.

На практике, конечно, есть много технических деталей, которые усложняют основной процесс. Квантовые криптографические системы в реальном мире используют поляризованные фотоны в качестве своих запутанных квантовых частиц, и надежно переслать и обнаружить единственный фотон может быть весьма непростой задачей.

Однако это было областью активных исследований с момента первых открытий в 1984 году, и происходит постепенный прогресс. Распределение квантовых ключей с использованием поляризованных фотонов, посылаемых через оптоволокно, было продемонстрировано на расстояниях в несколько сотен километров, и надежность этого процесса позволила создать доступные коммерческие системы.

Китайская команда, упомянутая ранее в главе, также продемонстрировала распределение квантовых ключей между находящейся на Земле лабораторией и спутником на орбите. Осенью 2017 года они провели этот первый «защищенный квантовой шифрацией» международный разговор между Китаем и Австрией через китайский спутник (названный «Микиус[280]» по латинизированному имени китайского ученого V века до нашей эры). По мере прохождения Микиуса над лабораторией в Пекине, они направили лазерные импульсы на спутник для генерации ключа. Через небольшое время, когда спутник проходил над Веной, они повторили этот процесс в венской лаборатории. Получившийся в результате совместный ключ потом использовался для кодировки и декодирования видеосвязи между двумя городами, чтобы открыть конференцию по квантовым исследованиям видеозвонком между Бай Чуньли, президентом Китайской академии наук, и Антоном Цайлингером, президентом Австрийской академии наук.

Пока еще системы квантового распределения ключей не используются широко, но нетрудно представить, учитывая все возрастающую важность онлайн-торговли, что банки и розница однажды будут пользоваться квантовой запутанностью для защиты своих покупок. Конечно, это не гарантирует полную безопасность, есть ведь также и исследовательские группы, которые изучают «квантовый хакинг», изучая хитрости, с помощью них будущие перехватчики информации смогут замаскировать себя и похищать квантовые ключи. Квантовая механика не остановит гонку вооружений между теми, кто стремится сохранить секреты, и теми, кто стремится их украсть; это будет лишь перенос битвы на новую территорию.

Блистательная ошибка

Что Эйнштейн отвернулся от квантовой физики после своей ведущей роли в ее изобретении, долгое время считалось неудачным моментом в его блистательной карьере. Абрахам Пайс[281] в своей магистерской научной биографии Эйнштейна, начинавшейся