Больше десятилетия физики развивали механические квантом методы для прохождения секретных сообщений без страха, что они могли быть перехвачены. Но они все еще не создали истинную квантовую сеть — полностью механический квантом аналог к обычной телекоммуникационной сети, в которой uncrackable связь может быть подделана между любыми двумя станциями или «узлами» в сети. Теперь, бригада исследователей в Германии построила первую истинную квантовую связь с помощью двух широко отделенных атомов.
Полная сеть могла быть построена путем объединения многих таких связей, говорят исследователи.«Этими результатами является замечательное достижение», говорит Эндрю Шилдс, прикладной физик и помощник управляющего директора в Toshiba Research Europe Ltd. в Кембридже, Великобритания, кто не был вовлечен в работу. «В прошлом мы построили сети, которые могут сообщить информацию о кванте, но преобразовывать его в классическую форму в сетевых пунктах коммутации. [Исследователи] сообщают о предварительных экспериментах к формированию сети, в которой формируются информационные остатки в кванте».Квантовые коммуникационные схемы обычно используют в своих интересах факт, что, согласно квантовой теории, невозможно измерить условие или «состояние» квантовой частицы, не нарушая частицу.
Например, предположите, что Элис хочет послать Бобу секретное сообщение. Она может сделать шифровку традиционным способом, путем выписывания сообщения в форме длинного двоичного числа и застегивания его вместе определенным математическим способом с «ключом», другим длинным потоком случайного 0s и 1 с. Боб может тогда использовать тот же ключ для восстанавливания сообщения.Но сначала, Элис должна послать Бобу ключ, не позволяя никому больше видеть его. Она может сделать это, если она кодирует ключ в единственных частицах света или фотонах.
Детали варьируются, но схемы обычно эксплуатируют факт, что соглядатай, Ив, не может измерить отдельные фотоны, не изменяя их государство в некотором роде, которое Элис и Боб могут обнаружить путем обмена мнениями, прежде чем Элис закодирует и пошлет свое сообщение. Такое «квантовое распределение ключа» было уже продемонстрировано в сетях, таких как большая сеть с шестью узлами в Вене в 2008, и различные компании предлагают квантовые устройства распределения ключа.
Такие схемы переносят значительное ограничение, как бы то ни было. Несмотря на то, что ключ передается от узла до узла квантовым способом, это должно читаться вслух и восстанавливаться в каждом узле в сети, оставив узлы ранимыми взламыванию. Таким образом, физики хотели бы сделать узлы сети сами полностью, механический квант — говорит путем формирования их из отдельных атомов.Согласно квантовой механике, атом может иметь только определенные дискретные суммы энергии в зависимости от того, как его внутренности двигаются по спирали.
Причудливо, атом может также быть в двух различных энергетических государствах — называют их 0 и 1 — сразу, несмотря на то, что это неуверенные два состояния сразу условие «разрушается» в одно государство или другой, как только атом измеряется. «Запутанность» берет странность к своей абсурдной противоположности. Два атома могут быть запутаны так, чтобы оба были в неуверенных двух, которые сразу заявляют пути, но их государства отлично коррелируются.
Например, если Элис и Боб разделят пару запутанных атомов, и она измеряет ее и находит его в этом 1 государстве, то тогда она будет знать, что Боб, несомненно, найдет его в этом 1 государстве, также, даже прежде чем он измерит его.Очевидно, Элис и Боб могут генерировать общий случайный ключ путем простого запутывания и измерения их атомов снова и снова. Кардинально, если запутанность может быть расширена на третий атом, проводимый Шарлоттой, то Элис и Шарлотта могут разделить ключ. В этом случае, если Ив тогда попытается обнаружить ключ путем тайного измерения атома Боба, то она испортит корреляции между атомами Элис и Шарлотты в пути, который покажет ее присутствие, делая действительно квантовая сеть unhackable, по крайней мере в принципе.
Но сначала, физики должны запутать широко отделенные атомы. Теперь, Штефан Риттер из Макс. Планка Института Квантовой Оптики в Гархинге, Германия и коллегах сделал просто, что, запутывая два атома в отдельных лабораториях на противоположных сторонах улицы, как они сообщают онлайн сегодня по своей природе.Столь простой, как это может звучать, исследователям все еще была нужна полная комната лаборатории, полная лазеров, оптических элементов и другого оборудования для каждого узла.
Каждый атом сидел между двумя очень рефлексивными зеркалами на расстоянии в 0,5 мм, формирующими «оптическую каверну». Путем применения внешнего лазера к атому A, бригада Риттера заставила фотон, испускаемый тем атомом сбегать из своей каверны и путешествия через оптоволокно 60 метров длиной к каверне через улицу.
Когда фотон был абсорбирован атомом B, оригинальная информация о кванте от первого атома была передана второму. Начиная только с правильного государства первого атома, исследователи могли запутать эти два атома. По словам исследователей, запутанность могла в принципе быть расширена на третий атом, делающий систему масштабируемой больше чем к двум узлам.
«Каждый экспериментальный шаг должен был быть просто правильным сделать эту работу», говорит Риттер, работающий в группе Герхарда Ремпе. «Возьмите, например, оптическую каверну. Все физики соглашаются, что атомы и фотоны являются большим материалом для строительства квантовой сети, но в свободном пространстве они едва взаимодействуют.
Мы должны были развить каверну для этого».«Это – очень важная трансгрессия», говорит Шилдс Toshiba, потому что она позволила бы технологам разделить квантовые ключи на сетях, где промежуточным узлам нельзя доверять, и она могла также привести к более сложным многопартийным протоколам связи на основе распределенной запутанности. «Однако», предостережения Шилдса, «существует все еще большая работа, которая будет сделана перед технологией, практичны».
Миниатюризация компонентов, составляющих один узел, несомненно будет в списке пожеланий исследователей.