Sự liên lạc an toàn giữa lượng tử

Sự rối loạn lượng tử là một trong những hiện tượng phản trực quan nhất trong vật lý hiện đại. tại tâm điểm của nó, sự rối loạn mô tả một trạng thái nơi mà hai hoặc nhiều hạt trở thành một sâu sắc liên kết đến nhau ngay lập tức để đo ảnh hưởng đến người khác, bất kể khoảng cách xa nhau, sự kết nối không có tính cách, mà Albert Einstein nổi tiếng gọi là "hành động bốc cháy ở khoảng cách" không còn là sự tò mò lý thuyết. nó trở thành nền tảng của mạng lưới liên lạc lượng tử nổi lên, hứa hẹn mang lại an toàn và hiệu quả vượt xa những gì mà các kỹ thuật giải mã cổ điển có thể đạt được.

Sự rối loạn thật sự có tác dụng như thế nào

Để hiểu được sự rối loạn, trước hết chúng ta phải chấp nhận rằng các hạt lượng tử không có tính chất cố định cho đến khi đo được một photon không có phân cực rõ ràng cho đến khi quan sát được. khi hai photon bị vướng vào nhau, sự phân cực của chúng trở nên tương quan theo cách mà nếu một hạt được đo theo chiều ngang, một hạt khác sẽ được tìm thấy để phân cực, và ngược lại. Tương quan này giữ ngay cả khi các photon bị tách ra bởi km hay hơn. nghiêm trọng, kết quả của mỗi lượng tử là ngẫu nhiên, nhưng hai kết quả là kết quả được xác định bởi sự ràng buộc.

Sự rối loạn được tạo ra khi các hạt tương tác với nhau theo cách bảo tồn sự kết hợp của lượng tử trong các trạng thái lượng tử. Phương pháp thông thường bao gồm sự tự động sử dụng ký tự xuyên qua các đường cong xuống (PDC) trong các tinh thể phi tuyến tính, nơi mà một photon năng lượng cao chia thành hai lượng thấp hơn, hoặc thông qua các cổng lượng tử bị mắc kẹt trong hệ thống dạng dây buộc. Tính chất chính được khai thác cho giao tiếp là liên kết bị rối: bất kỳ cố gắng để chặn hay đo lường một hạt nào mà không có sự đồng ý của bộ nhận sẽ phá vỡ mối tương quan, cảnh báo cho các kênh bị tổn thương.

Phân phối chìa khóa: Cánh tay thực tế của sự rối loạn

Ứng dụng ngay lập tức của sự rối loạn trong giao tiếp là [FLT: 0] bản phân phối chìa khóa (QKD) [QT: 1]. Không giống như giao thức Ekert: 1], nó phụ thuộc vào sự phức tạp toán học và có thể bị hỏng bởi máy tính lượng tử mạnh, QKD sử dụng các định luật vật lý để đảm bảo sự bí mật. Trong giao thức phụ dựa trên QKD, như giao thức Ekert (E91), hai bên (chỉ có tên Alice và Bob) mỗi bên nhận một photon từ một cặp song song. Họ dùng lượng photon ngẫu nhiên, sau đó so sánh với kết quả của chúng để tìm ra sự cố nhỏ. Nếu họ không tìm thấy gì còn lại, họ có thể chia sẻ các số lượng nhỏ, thì có thể tìm thấy các số lượng nhỏ.

“Sự an toàn của QKD dựa trên dây cáp được dựa trên sự kiện là bất cứ ai nghe trộm không thể sao chép tình trạng lượng tử mà không gây ra tiếng ồn.

Hệ thống QKD được sử dụng một cách thương mại ngày nay thường sử dụng xung điện yếu hơn là các photon dính vào nhau, nhưng sự rối rắm cung cấp một lợi thế cơ bản: nó có thể được dùng để xây dựng [FLT: 0] phụ thuộc vào QKD , nơi mà an ninh không phụ thuộc vào phần cứng. Mặc dù vẫn còn thực nghiệm, các giao thức phụ thuộc vào thiết bị đại diện tiêu chuẩn vàng cho an ninh vô điều kiện.

Xây dựng Internet lượng tử

Tầm nhìn dài hạn cho giao tiếp lượng tử mở rộng vượt xa sự phân phối điểm------- trỏ. Các nhà nghiên cứu đang làm việc với một [FLT: 0] Internet — một mạng lưới toàn cầu kết nối các thiết bị lượng tử, cho phép phân phối dữ liệu lượng tử, và cho phép chuyển giao siêu an toàn. Ở trung tâm của mạng này nằm ở khoảng cách xa. Tuy nhiên, truyền photon trực tiếp qua hàng trăm km qua sợi là khó khăn vì sự mất mát và mất mát. Đây là nơi mà những người lặp lại đi vào.

Nhắc lại lượng tử: mở rộng vùng góc

Các máy lặp lặp lại cổ điển phổ biến các tín hiệu tương tự, nhưng các lặp lại lượng tử không thể đơn giản sao chép một trạng thái lượng tử vì định lý không có đường cong. thay vào đó, chúng sử dụng sự kết hợp của các liên kết giữa các điểm trao đổi và bộ nhớ lượng tử để tạo ra các đường dây dài theo các giai đoạn. Quá trình này hoạt động như sau: co giật một sợi dài vào các phân đoạn ngắn hơn, tạo ra các đoạn bị rối trong mỗi phân đoạn, sau đó sử dụng một đo lường của Bell-state tại các điểm giữa để trao đổi các phân khúc. Kết quả là một cặp bao gồm các khoảng cách bao gồm hoàn toàn không có tín hiệu toàn toàn bộ đường đi. Trong khi các giai đoạn phát triển đầu, lượng tử đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm và thiết lập lại là thiết lập lại cho một chức năng.

Liên lạc lượng tử tàng hình

Một cách khác để vượt qua giới hạn của việc vượt qua khoảng cách là sử dụng vệ tinh. vệ tinh của Trung Quốc, được phóng vào năm 2016, đã chứng minh thành công sự phân phối rối ở các trạm mặt đất hơn 1.200 km, cũng như các đường liên lục địa QKD giữa Trung Quốc và châu Âu. vệ tinh tránh sự mất tích theo cấp số nhân của sợi quang qua khoảng cách dài vì hầu hết các con đường là qua không gian trống. công nghệ này mở đường cho mạng lưới lượng tử toàn cầu có thể kết nối các lục địa mà không cần đến hàng ngàn người lặp lại.

Những thử thách trên con đường dẫn đến mạng lưới lưỡi cưa

Bất chấp những tiến bộ đáng kể, một số rào cản kỹ thuật vẫn còn trước khi sự liên lạc bằng lượng tử bị rối loạn trở nên phổ biến.

Sự sai lệch và tiếng ồn

Những trạng thái bị rối loạn rất mong manh. tương tác môi trường với các phân tử không khí, chất xơ, hoặc dao động nhiệt, gây ra sự mất kết nối giữa lượng tử, và duy trì sự rối loạn theo thời gian và khoảng cách đòi hỏi vật liệu giảm tốc độ cực thấp, làm lạnh cho một số loại qubit, và sửa chữa lỗi cao.

Bộ nhớ lượng tử

Một thành phần quan trọng cho lặp lại lượng tử là một bộ nhớ lượng tử đáng tin cậy có thể lưu trữ các trạng thái dính trong giây trong khi hoạt động lặp lại được thực hiện. Ký ức hiện thời dựa trên các bộ nhớ nguyên tử hoặc các i-on đã bị mắc kẹt có hạn thời gian lưu trữ và độ trung thành. Tiến bộ trong vùng này đang tăng tốc, với các biểu hiện của ký ức quá 1 giây trong hệ thống tự động trong phòng, nhưng vẫn còn nhiều công việc.

Tiêu chuẩn hóa và Hợp nhất

Để các mạng lượng tử tương tác với cơ sở hạ tầng cổ điển đã có, cần có các tiêu chuẩn công nghiệp. Giao thức cho QKD dựa trên dây, phải xác định các biến thể cấu hình phím, xác thực và lỗi. Các bước [FLT: 0] [T: 0] nhóm [FLT: 1] đã xuất bản vài tiêu chuẩn, nhưng các biến thể dựa trên dây cáp chưa được chấp nhận rộng rãi. Hơn nữa, việc trộn các thành phần lượng tử với các bộ chuyển đổi và hệ thống mạng cổ điển là phi vi xử lý.

Hơn cả QKD: Sự rối loạn để tính toán lượng tử phân phối

Mạng liên lạc lượng tử không chỉ bảo đảm dữ liệu cổ điển — mà còn hiệu lực [FLT: 0] khả năng phân tích [FLT: 1]. Trong mô hình này, nhiều bộ xử lý lượng tử nhỏ nằm ở các trạng thái trao đổi khác nhau để giải quyết chung các vấn đề mà vượt quá khả năng của bất kỳ thiết bị nào. Máy tính lượng tử mù, nơi một khách hàng có khả năng lượng tử hạn chế có thể chạy tính toán trên một máy chủ lượng tử mà không tiết lộ dữ liệu hay thuật toán, là một ứng dụng khác đang xuất hiện. Những trường hợp này dựa trên sự phân phối nghiêm trọng và dịch chuyển giao thức.

Các cuộc thử nghiệm và triển khai trên thế giới thực

Trường này đang chuyển qua các phòng thí nghiệm học thuật học thành các tập tin thực tế. Mạng lượng tử [FLT: 1] tại Hoa Kỳ là một cuộc biểu tình đầu tiên của QKD qua nhiều nút. Châu Âu điều hành Internet lượng tử [FLT:], nơi nhắm tới kết nối các thành phố lớn với các liên kết lượng tử vào năm 2030. Trung Quốc đã xây dựng một sợi QD cách xa Bắc Kinh và Thượng Hải, được trang trí bởi vệ tinh Mius. Những dự án này cho thấy là nền tảng kỹ thuật [FLT: thậm chí nếu vẫn còn là một thập kỷ nguyên hoặc hơn nữa.

Hướng tương lai

Nhìn về phía trước, nhiều công trình nghiên cứu rất quan trọng:

  • thế hệ chấp nhận sự ràng buộc — Nguồn SPDC hiện thời sản xuất hàng triệu cặp móc mỗi giây, nhưng chỉ một phần nhỏ có thể sử dụng sau khi tính toán để mất. Các nguồn thông minh, độ rộng rãi cao cần thiết.
  • Thiết bị lượng tử quy mô chip ) — kết hợp các nguồn rối loạn, máy dò và bộ nhớ trên chip điện tử sẽ giảm chi phí và tăng khả năng tăng số.
  • Mạng lưới lượng tử ) — kết hợp với các nguồn tài nguyên lượng tử khác (v. d., nén, cụm từ) có thể mang lại thêm những lợi ích để cảm nhận và tính toán.
  • Đang chuẩn bị các giao thức phụ thuộc vào thiết bị ) — để bảo mật lâu dài, di chuyển vượt ra ngoài các kiến trúc được tin tưởng-node để hoàn toàn phụ thuộc vào thiết bị QKD sẽ là thiết yếu.

Sự rối loạn lượng tử không chỉ là một sự tò mò thú vị về thiên nhiên — nó là một nguồn tài nguyên thực tế để tái tạo lại cách chúng ta suy nghĩ về sự liên lạc an toàn và tính toán phân phối. khi các nhà nghiên cứu vượt qua những thách thức của sự thoái hóa, lặp đi lặp lại, và kết hợp, các mạng lưới dựa trên sự ràng buộc có thể trở thành một phần quan trọng của cơ sở liên lạc toàn cầu, bảo vệ dữ liệu chống lại ngay cả những kẻ thù mạnh nhất trong tương lai.