Turvallisen viestinnän kvanttikangas

Kvantti kietoutuminen seisoo yhtenä vasta-aiheista mutta voimakas ilmiöitä modernin fysiikan. Sen ytimessä, kietoutuminen kuvaa tilaa, jossa kaksi tai useampia hiukkasia tulee niin syvälle toisiinsa, että mittaamalla yksi välittömästi vaikuttaa toiseen, riippumatta etäisyys erottaa ne. Tämä ei-paikallinen yhteys, jota Albert Einstein kuuluisasti kutsutaan "pelottava toiminta etäältä," ei ole enää vain teoreettinen uteliaisuus. Se on tullut kulmakivi nousevan kvanttiviestintäverkkoja, järjestelmiä, jotka lupaavat toimittaa turvallisuutta ja tehokkuutta paljon pidemmälle kuin mitä klassinen salaus voi saavuttaa.

Miten Entanglement todella toimii

Ymmärtääksemme kietoutumisen, meidän on ensin hyväksyttävä, että kvanttihiukkasilla ei ole kiinteitä ominaisuuksia ennen kuin ne on mitattu. Fotonilla ei esimerkiksi ole varmaa polarisaatiota ennen kuin se havaitaan. Kun kaksi fotonia on sotkeutunut toisiinsa, niiden polarisaatiot tulevat korreloimaan siten, että jos yksi mitataan vaakapolarisoitua, toinen löydetään pystysuoraan polarisoitua, ja päinvastoin. Tämä korrelaatio pätee vaikka fotonit erotettaisiin kilometrejä tai enemmän. Kriittisesti, lopputulos kunkin yksittäisen mittaus on satunnaista, mutta suhde kahden lopputuloksen määräytyy kietoutuminen.

Sisäänpääsy luodaan, kun hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa tavalla, joka säilyttää niiden kvanttitilan yhtenäisyyden. Yhteisiin menetelmiin kuuluvat spontaani parametrinen alas-konversio (SPDC) epälineaarisissa kiteet, jossa yksi korkean energian fotoni jakautuu kahteen alemman energian sotkettu fotonit, tai läpi kvanttiporttien loukkuun ionijärjestelmät. Tärkein ominaisuus hyödyntää viestintää on, että kietoutuminen linkki on hauras: jokainen yritys sieppaus tai mitata yksi hiukkasen ilman vastaanottimen suostumusta rikkoo korrelaatio, varoittamalla osapuolille, että kanava on vaarantunut.

Kvanttiavaimen jakelu: Sisäänpääsyn käytännön käsivarsi

Välittömin soveltaminen kietoutuminen viestinnässä on []kvanttiavaimen jakelu (QKD)[[]]. Toisin kuin perinteinen salaus, joka perustuu matemaattiseen monimutkaisuuteen ja voi rikkoa voimakas kvanttitietokoneet, QKD käyttää fysiikan lakeja varmistaakseen salailun. In entanglement-pohjainen QKD protokolla, kuten Ekert protokolla (E91), kaksi osapuolta (yleisesti nimeltään Alice ja Bob) kukin saavat yhden fotonien entangled pari. He mittaavat fotonit käyttäen satunnaisesti valittuja emäksiä, sitten julkisesti vertailla osajoukko niiden mittaustulokset havaita eavesdropping. Jos häiriöttä ei löydy, he voivat distalla salainen avain jäljellä mittauksia.

...................................................................................................................................................................................................ettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäettäsasasasasasa"ettäsa"ettäsa"ettäsaaja-ananananananananan

Kaupallisesti käyttöönotetut QKD-järjestelmät käyttävät nykyään usein heikkoja johdonmukaisia pulssia eivätkä sotkeutuneet fotoneihin, mutta sotkeutuminen tarjoaa perusedun: sitä voidaan käyttää rakentamaan []laitteesta riippumatonta QKD, jossa turvallisuus ei perustu laitteiston luottamiseen. Vaikka vielä kokeellinen, laiteriippumattomat protokollia edustavat kultastandardia ehdotonta turvallisuutta.

Kvantti-Internetin rakentaminen

Pitkän aikavälin visio kvanttiviestinnästä ulottuu kauas pisteestä pisteeseen -avaimen jakelua pidemmälle. Tutkijat työskentelevät kohti [kvantti-internet[ .] ... maailmanlaajuista verkkoa, joka yhdistää kvanttilaitteita, mahdollistaa hajautetun kvanttilaskennan ja mahdollistaa erittäin turvallisen tiedonsiirron. Tämän verkon ytimessä on kietoutuminen pitkän matkan päähän. Kuitenkin suoraan lähetettäessä kiemurrettuja fotoneja yli satojen kilometrien päähän optisen kuidun kautta on haastavaa signaalin menetyksen ja dekoherenssin vuoksi. Tässä kohtaa kvanttitoistot tulevat peliin.

Kvanttitoistot: Sisäänpääsyn kurottaminen

Klassinen toistimet vahvistavat analogisia signaaleja, mutta kvanttitoistot eivät voi yksinkertaisesti kopioida kvanttitilasta johtuen ei-kloonaava lause. Sen sijaan he käyttävät yhdistelmä kietoutumisen vaihto ja kvanttimuisti luoda pitkän matkan kietoutuminen vaiheissa. Prosessi toimii seuraavasti: Segmentoida pitkä kuitulinkki lyhyempiin segmentteihin, luoda sotkeutuminen kussakin segmentissä, sitten käyttää Bell-state mittausta midpoints vaihtaa sotkeutumista segmentit. Tuloksena on sotkeutunut parin koko matkan ilman signaalia matkustaa koko polku. Vaikka alkuvaiheessa kehityksen, kvanttitoistot on osoitettu laboratorio-asetuksissa ja ovat välttämättömiä funktionaalisen kvantti-internet.

Satelliittipohjainen kvanttiviestintä

Toinen lähestymistapa yli etäisyysrajoitusten on satelliittien käyttö. Kiinalainen Micius-satelliitti, joka laukaistiin vuonna 2016, on onnistuneesti osoittanut kietoutumisen jakelu yli 1200 kilometriä maa-asemien välillä sekä mannertenvälinen QKD Kiinan ja Euroopan välillä. Satelliittilinkit välttää eksponentiaalinen menetys optinen kuitu pitkiä matkoja, koska suurin osa polku on kautta tyhjän tilan. Tämä teknologia tasoittaa tietä maailmanlaajuiselle kvanttiverkko, joka voi yhdistää mantereilla ilman tarvetta tuhansia toistajia.

Haasteet tielle kohti skaalattavissa olevia verkkoja

Huomattavasta edistyksestä huolimatta on vielä useita teknisiä esteitä, ennen kuin kietoutumiseen perustuva kvanttiviestintä yleistyy.

Epäyhtenäisyys ja melu

Sisäänrakennettu tila ovat erittäin hauraita. Ympäristön vuorovaikutus ilmamolekyylien, kuitu epäpuhtaudet, tai lämpö tärinää . Aiheuttaa dekoherenssia, joka tuhoaa kvantti korrelaatio. Pitämällä kietoutuminen ajan ja matkan vaatii ultra-low-loss materiaalit, kryogeeninen jäähdytys joidenkin Qubit tyyppejä, ja kehittynyt virhekorjaus. Kuitu, vaimennus rajoittaa käytännön valikoiman suoran kiemurtelun jakautuminen noin 100 km ilman toistajaa.

Kvanttimuisti

Kvanttitoistolaitteiden kriittinen komponentti on luotettava kvanttimuisti, joka voi tallentaa toisiinsa juuttuneita tiloja millisekunti sekunneiksi toistettavien toimintojen aikana. Atomikonserneihin tai loukkuun perustuvilla muistinmuodoilla on rajallinen säilytysaika ja uskollisuus. Edistyminen tällä alueella kiihtyy, kun viime aikoina on osoitettu yli 1 sekunnin ajan huonelämpötilajärjestelmissä, mutta paljon työtä on vielä jäljellä.

Standardointi ja integrointi

Jotta kvanttiverkot voisivat toimia vuorovaikutuksessa olemassa olevan klassisen infrastruktuurin kanssa, tarvitaan alan standardeja. Esimerkiksi kietoutumispohjaisia QKD-protokollia varten on määriteltävä keskeiset tislaus-, todennus- ja virhekorjausvaiheet. QKD[:n [:n] ESSI-ryhmä on julkaissut useita standardeja, mutta kietoutumispohjaisia muunnelmia ei ole vielä laajalti hyväksytty. Lisäksi kvanttikomponenttien integrointi klassiseen transsetteriin ja verkonhallintajärjestelmät eivät ole triviaaleja.

QKD:n takana: Jakautunut kvanttilaskenta

Kvanttiviestintäverkot eivät ainoastaan turvaa klassista dataa . Ne mahdollistavat myös [ jaetun kvanttilaskennan[. Tässä mallissa useat pienet kvanttiprosessorit sijaitsevat eri solmujen vaihdossa kietoutuneina valtiot yhdessä ratkaista ongelmia, jotka ylittävät yhden laitteen kapasiteetin. Sokea kvanttilaskenta, jossa asiakas, jolla on rajallinen kvanttikyky, voi suorittaa laskentaa etä kvanttipalvelimella paljastamatta dataa tai algoritmia, on toinen uusi uusi sovellus. Nämä käyttötapaukset perustuvat korkean uskollisuuden kietoutumisen jakelu ja tehokas teleportaatio protokollia.

Reaalimaailman käyttöönotto ja kokeilut

Kenttä on siirtymässä akateemisten laboratorioiden yli reaalimaailman koepenkkeihin. Yhdysvalloissa [DARPA Quantum Network[] oli QKD:n varhaismielenosoitus useissa solmuissa. Eurooppa toimii []Euroopan kvantti-Internetalliallianssi[], jonka tavoitteena on yhdistää suurkaupungit kvanttiyhteyksillä vuoteen 2030 mennessä. Kiina on rakentanut 2 000 km:n QKD:n rungon Pekingin ja Shanghain välille, jota Micius-satelliitti on laajentanut. Nämä hankkeet osoittavat, että tekninen perusta on vankka, vaikka koko kvantti-internet on vielä kymmenen tai useampia.

Tulevaisuuden suunnat

Tulevaisuudessa on useita tutkimusmahdollisuuksia:

  • Parempi sotkeutumisaste[] . Nykyiset SPDC-lähteet tuottavat miljoonia sotkettuja paria sekunnissa, mutta vain pieni osa on käytettävissä tappion kirjaamisen jälkeen. Kirkas, korkea uskollisuuslähteet ovat tarpeen.
  • Kohtaus siru-kokoluokan kvanttilaitteet[ ... ... ..........................................................................................................................................................................................................................
  • Hybridit kvanttiverkot [ ... ....................................................................................................................................................................................................................................
  • Laiteriippumattomien protokollien [ standardoiminen pitkän aikavälin turvallisuuden osalta on olennaista, kun siirrytään luotetun solmun arkkitehtuurista täysin laiteriippumattomaan QKD:hen.

Kvanttisotku ei ole vain kiehtova uteliaisuus luonnon . Se on käytännön resurssi, joka muokkaa ajattelutapaamme turvallisesta viestinnästä ja hajautetusta laskentatavasta. Tutkijoiden voittaessa dekoherenssin, toistajien ja integraation haasteet, kietoutumisesta johtuvat verkot tulevat todennäköisesti kriittiseksi osaksi maailmanlaajuista viestintäinfrastruktuuria, ja ne suojaavat dataa jopa voimakkaimmilta tulevaisuuden vastustajilta.