ทำให้เกิดความสับสน

ทำให้เกิดความสับสน

Ilya Ferapontov
"กลศาสตร์ยอดนิยม" №2, 2016

ความยาวสูงสุดของช่องทางการสื่อสารซึ่งช่วยให้สามารถใช้วิธีการเข้ารหัสลับควอนตัมได้เพียงไม่กี่ร้อยกิโลเมตรเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์จากศูนย์ควอนตัมรัสเซียได้พัฒนาวิธีการเพิ่มระยะทางนี้อย่างมีนัยสำคัญ

ลองจินตนาการว่าก่อนที่จะส่งอีเมลไปให้เพื่อนคุณต้องได้รับแผนที่วัดระยะทางไปยังเมืองที่เขาอาศัยอยู่และถ้าปรากฎว่าระยะทางมากกว่า 100 กม. คุณใช้ดินสอและกระดาษด้วยการถอนหายใจและใช้เวลาในการ " กระดาษ "จดหมาย – e-mail มากกว่า 100 กม. ไม่ได้ไป

สถานการณ์ที่ไร้สาระ? แต่นี้เป็นว่าสิ่งที่อยู่ในขณะนี้มีการส่งข้อมูลควอนตัมกว่าใยแก้วนำแสงสายการสื่อสาร – ระยะทางที่ส่งบันทึกยังคงเป็นเพียงเล็กน้อยมากกว่าหนึ่งร้อยกิโลเมตรและการทำงานคงที่ปกติไม่บันทึกเส้น จำกัด โดยทั่วไปถึง 40 กม. ซึ่งหมายความว่าเช่นว่าเส้นทางการสื่อสารควอนตัมสามารถจัดภายในมอสโก แต่การถ่ายโอนข้อมูลในปีเตอร์สเบิร์กในขณะที่มีอะไรที่จะคิดว่า อะไรคือโอกาสของการเข้ารหัสควอนตัมในด้านการสื่อสารทางไกลหรือไม่?

Notes และโน๊ตบุ๊ค

ประวัติความเป็นมาของการเข้ารหัสเชิงควอนตัมเริ่มขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1960 เมื่อนักศึกษามหาวิทยาลัยโคลัมเบียสตีเฟ่นวอร์เนอร์ได้กล่าวถึงความคิดของธนบัตรควอนตัมก่อนหน้านี้ว่าชาร์ลส์เบนเน็ทซึ่งในหลักการไม่สามารถปลอมแปลงได้เนื่องจากถูกกีดกันตามกฎหมายของธรรมชาติ ความคิดคือการวางวัตถุปริมาณควอนตัมไว้ในธนบัตรแต่ละอัน ซึ่งอาจเป็นตัวอย่างเช่นกับดักโฟตอนซึ่งแต่ละขั้วมีโพลาไรซ์อยู่ที่มุมใดมุมหนึ่งในหนึ่งในสองฐานทั้งที่มุม 0 และ 90 หรือ 45 และ 135 องศา หมายเลขซีเรียลจะพิมพ์ลงบนธนบัตร แต่การรวมกันของโพลาไรซ์และเบสกับหมายเลข (ตัวกรองที่มีโพลาไรซ์อยู่หรือวัดด้วยโพลาไรเซชัน) เป็นที่รู้จักเฉพาะกับธนาคารเท่านั้น ผู้ปลอมแปลงจะต้องวัดโพลาไรซ์ของแต่ละโฟตอนเพื่อปลอมแปลงธนบัตรดังกล่าว แต่เขาไม่ทราบว่าแต่ละขั้วมีโพลาไรเซชันอยู่ที่ไหน ถ้าเขาทำผิดพลาดกับฐานแล้วการโพลาไรซ์ของโฟตอนจะเปลี่ยนไปและธนบัตรปลอมจะมีโพลาไรเซสผิด เงินควอนตัมยังไม่ปรากฏเนื่องจากยังไม่สามารถสร้างดักที่เชื่อถือได้เพียงพอสำหรับโฟตอนอย่างไรก็ตามในเวลาเดียวกัน, Vizner เสนอโดยใช้หลักการเดียวกันเพื่อปกป้องข้อมูลและเทคโนโลยีนี้อยู่ใกล้กับการใช้งานแล้ว

อย่างไรก็ตามความคิดของ Vizner ไม่ได้รับการยอมรับในทันที ย้อนกลับไปในช่วงต้นทศวรรษ 1970 Wizner ได้ส่งบทความเกี่ยวกับการอ่านรหัสควอนตัมลงในสมุดบันทึก รายการ IEEE เกี่ยวกับทฤษฎีสารสนเทศแต่สำหรับบรรณาธิการและผู้ตรวจสอบภาษาของบทความดูเหมือนจะซับซ้อนเกินไป เฉพาะในปี 1983 บทความนี้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร จดหมายข่าว ACM ฉบับ Sigact Newsและเป็นบุคคลที่กลายเป็นสิ่งตีพิมพ์ครั้งแรกในประวัติศาสตร์เกี่ยวกับพื้นฐานของการเข้ารหัสลับควอนตัม

ในขั้นต้น Vizner และ Bennett พิจารณาตัวเลือกในการส่งข้อความที่เข้ารหัสโดยใช้ "ผู้ให้บริการ" ควอนตัมขณะที่กำลังดักข้อมูลจะทำให้ข้อความเสียและทำให้ไม่สามารถอ่านได้ จากนั้นพวกเขาก็มีเวอร์ชันที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นซึ่ง ได้แก่ การใช้ช่องทางควอนตัมเพื่อการถ่ายโอน "โน้ตบุ๊คที่เข้ารหัส" เพียงครั้งเดียว – คีย์การเข้ารหัส

ซองปิด

ระบบการสื่อสารควอนตัมขึ้นอยู่กับการใช้คุณสมบัติควอนตัมของผู้ให้บริการข้อมูล ถ้าในเครือข่ายโทรคมนาคมทั่วไปข้อมูลจะถูกเข้ารหัสในแอมพลิจูดและความถี่ของรังสีหรือการสั่นของไฟฟ้าในเครือข่ายควอนตัมจะถูกเข้ารหัสในความกว้างของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าหรือในโพลาไรเซชันของโฟตอนแน่นอนว่าอุปกรณ์ที่มีราคาแพงและซับซ้อนมากขึ้นจะต้องใช้ แต่เทคนิคเหล่านี้มีความสมเหตุสมผล: ข้อเท็จจริงคือการส่งผ่านข้อมูลผ่านช่องควอนตัมจะช่วยป้องกัน "wiretapping" ได้ 100 เปอร์เซ็นต์ ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัมการวัดคุณสมบัติของวัตถุควอนตัมเช่นการวัดค่าโพลาไรซ์ของโฟตอนย่อมจะเปลี่ยนสถานะของมัน ผู้รับจะเห็นว่าสถานะของโฟตอนมีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถป้องกันได้ในหลักการ – นี่คือกฎพื้นฐานของธรรมชาติ นี้สามารถอธิบายด้วยการเปรียบเทียบดังกล่าว: จินตนาการว่าคุณกำลังส่งจดหมายในซองปิด หากมีคนเปิดหนังสือและอ่านข้อความสีของกระดาษจะเปลี่ยนไปและผู้รับจะเข้าใจได้ว่าหนังสือเล่มที่สามอ่านข้อความแล้ว

โปรโตคอลแรก

โปรโตคอลแรกของการกระจายคีย์ควอนตัมถูกสร้างขึ้นโดย Gilles Brassard และ Charles Bennett ในปี 1984 และได้รับการตั้งชื่อว่า BB84 สำหรับการส่งข้อมูลโฟตอนจะถูกนำมาใช้ขั้วในสี่ทิศทางที่แตกต่างกันในสองฐานที่มุม 0 และ 90 องศา (ระบุด้วยสัญลักษณ์ "+") หรือ 45 และ 135 องศา ("×")

ผู้ส่งข้อความ (โดยปกติจะเรียกว่า "อลิซ") ขั้วแต่ละโฟตอนในแบบสุ่มที่เลือกแล้วส่งไปยังผู้รับ B – "บ๊อบ"บ๊อบวัดโฟตอนแต่ละครั้งรวมทั้งแบบสุ่มเลือก หลังจากนั้น Alice ผ่านช่องเปิดบอก Bob ถึงลำดับฐานของเขาและ Bob ทิ้งฐานผิด (ไม่ตรงกัน) และบอก Alice ว่าข้อมูลใดไม่ได้ "ผ่าน" ในเวลาเดียวกันค่าที่ได้จากการวัดจะไม่ถูกกล่าวถึงโดยช่องเปิด

การแลกเปลี่ยนข้อมูลมีลักษณะดังนี้: ถ้าเป็นสายลับ (เขามักเรียกว่า "อีฟ" จากอังกฤษ แอบฟัง – แอบฟัง) ต้องการตัดกุญแจลับมันจะต้องวัดโพลาไรเซชันของโฟตอน เนื่องจากเขาไม่ทราบพื้นฐานเขาจะต้องกำหนดแบบสุ่ม ถ้าพื้นฐานถูกกำหนดอย่างไม่ถูกต้องแล้วอีฟจะไม่ได้รับข้อมูลที่ถูกต้องและนอกจากนี้จะเปลี่ยนโพลาไรซ์ของโฟตอน ข้อผิดพลาดที่ปรากฏขึ้นจะตรวจจับทั้ง Alice และ Bob โดยทันที

ข้อมูลที่มีค่าที่สุดคือคีย์การเข้ารหัสลับ ถ้าคีย์มีความยาวเท่ากับข้อความเองหรือนานกว่านั้นจะเป็นไปไม่ได้ที่จะถอดรหัสลับข้อความโดยไม่ทราบคีย์ ยังคงจัดให้มีการถ่ายโอนคีย์ที่มีความปลอดภัยและนี่คือสิ่งที่สายการสื่อสารควอนตัมให้ อย่างไรก็ตามในขณะที่ระยะการถ่ายโอนข้อมูลสำหรับสายดังกล่าวสั้นเกินไป: เนื่องจากเสียงความร้อนการสูญเสียความบกพร่องในเส้นใยแสงโฟตอนไม่ได้ "อยู่รอด" ในระยะทางไกล

คีย์ควอนตัม

ทีมวิจัยหลายแห่งทั่วโลกกำลังพัฒนาอุปกรณ์สำหรับการกู้คืนข้อมูลควอนตัมซึ่งเรียกว่าตัวควอนตัมเรเดียนซึ่งสามารถ "โฟกัส" โฟตอนได้ กลุ่มนักวิจัยจากศูนย์ควอนตัมรัสเซียภายใต้การนำของศาสตราจารย์อเล็กซานเดอร์เลฟสกี้ได้ค้นพบวิธีการฟื้นฟูสมบัติของโฟตอนและได้รับการยืนยันประสิทธิภาพของวิธีการนี้อย่างมีประสิทธิภาพ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาปรากฏการณ์ของพัวพันควอนตัมซึ่งมีสถานะของวัตถุสองอย่างหรือมากกว่า ได้แก่ อะตอมโฟตอนไอโอนิก ถ้าสถานะของหนึ่งในคู่ของโฟตอนที่ถูกยึดติดจะถูกวัดแล้วสถานะของวินาทีจะกลายเป็นที่แน่นอนและสถานะของทั้งสองจะเชื่อมต่อกันไม่ซับซ้อนเช่นถ้าโฟตอนมีโพลาไรเซชันในแนวตั้งจากนั้นลำดับที่สองจะเป็นแนวนอนและในทางกลับกัน

การตรวจชันสูตรโดยหู

การทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับการส่งผ่านข้อมูลควอนตัมถูกดำเนินการโดย Bennett และ Gilles Brassard เมื่อสิ้นเดือนตุลาคม 1989 เมื่อมีการติดตั้งการสื่อสารควอนตัมที่ปลอดภัยในระยะ 32.5 ซม. อุปกรณ์เปลี่ยนโพลาไรซ์ของโฟตอน แต่แหล่งจ่ายไฟมีเสียงดังแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ โพลาไรซ์เป็นอย่างไร คนรอบข้างสามารถแยกแยะได้อย่างอิสระระหว่างศูนย์และคนโดยหูขณะที่ Brassard เขียนว่า "ต้นแบบของเราได้รับการคุ้มครองจากผู้ดักฟังที่เป็นคนหูหนวก" ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2550 มีการใช้วิธีการเข้ารหัสแบบควอนตัมเป็นครั้งแรกในโครงการขนาดใหญ่ ระบบสื่อสารความปลอดภัย Quantum ที่พัฒนาโดย บริษัท สวิส Id quantiqueถูกใช้เพื่อส่งข้อมูลเกี่ยวกับผลการลงคะแนนเสียงในการเลือกตั้งรัฐสภาในมณฑลสวิสเจนีวา เสียงของชาวสวิสได้รับการคุ้มครองเช่นเดียวกับข้อมูลอื่น ๆ

ถ้าคุณแจกจ่ายคู่โฟตอนระหว่างสองคู่ระยะไกลทั้งคู่จะได้ลำดับเดียวกันซึ่งสามารถใช้เป็นคีย์การเข้ารหัสได้เนื่องจากเป็นลำดับแบบสุ่มอย่างแท้จริงซึ่งไม่สามารถคาดเดาหรือคำนวณได้หากใครบางคนพยายามแอบมองโฟตอน ความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขาจะหายไปและที่สำคัญจะไม่ถูกลบออกจากพวกเขา "อธิบาย Alexander Lvovsky

ความท้าทายคือการรักษาสถานะของพัวพันควอนตัมเมื่อส่งผ่านทางไกล จนถึงขณะนี้เป็นปัญหาใหญ่ ยังไม่สามารถแพร่กระจายโฟตอนที่ห่างไกลออกไปได้มากกว่า 100 กิโลเมตรผ่านเครือข่ายใยแก้วนำแสง เมื่อวันที่ bเกี่ยวกับระยะทางไกลข้อมูลควอนตัมหายไปในเสียงในเครือข่ายโทรคมนาคมทั่วไปใช้ตัว repeater หรือเครื่องขยายสัญญาณหลายแบบซึ่งขยายความกว้างของสัญญาณและขจัดเสียงรบกวน แต่ในกรณีของข้อมูลควอนตัมวิธีนี้ไม่ได้ผล โฟตอนไม่สามารถ "เสริมสร้างความเข้มแข็ง" ได้เมื่อพยายามวัดค่าพารามิเตอร์สถานะของโฟตอนจะเปลี่ยนไปซึ่งหมายความว่าข้อดีของการเข้ารหัสด้วยควอนตัมทั้งหมดจะหายไป

ตัวควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์จากประเทศต่างๆพยายามที่จะพัฒนาเทคโนโลยีของ repeater ควอนตัมซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สามารถ "สร้าง" ข้อมูลควอนตัมได้โดยไม่ทำลายมัน กลุ่ม Lviv ดูเหมือนจะได้พบเส้นทางที่สามารถนำไปสู่ความสำเร็จได้ ย้อนกลับไปในปี 2002 เขาและเพื่อนร่วมงานของเขาได้ค้นพบผลที่น่าแปลกใจซึ่งเรียกว่า "การควอนตัมควอนตัม" โดยการเปรียบเทียบกับคำศัพท์ทางเคมีซึ่งปฏิกิริยาบางอย่างสามารถเกิดขึ้นเฉพาะในสารพิเศษเท่านั้นคือตัวเร่งปฏิกิริยา ในการทดลองชีพจรแสงถูกผสมกับโฟตอนเดียว "เสริม" บนกระจกส่องผ่านบางส่วน โฟตอนนี้ถูก "ลบ" ดูเหมือนว่าสถานะของชีพจรแสงไม่ควรเปลี่ยนแปลง แต่เนื่องจากคุณสมบัติขัดแย้งของการรบกวนของควอนตัมโฟตอนจึงเปลี่ยนไปในทิศทางของ "ควอนตัม" คุณสมบัติของควอนตัม

"ในเวลานั้นปรากฏการณ์นี้ไม่ได้เป็นปรากฏการณ์ที่แปลกประหลาดซึ่งมีอยู่มากมายในฟิสิกส์ควอนตัม แต่ตอนนี้ปรากฎว่ามีแอพพลิเคชั่นที่สำคัญซึ่งช่วยให้คุณสามารถสร้างสถานะของแสงควอนตัมใหม่ได้" Alexander Lvovsky กล่าว

ในงานใหม่ของเขารายงานซึ่งได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ธรรมชาติแสงนักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ที่จะจัดการกับโฟตอนใหม่ "คลี่คลาย" ในฐานะที่เป็นแหล่งที่มาของโฟตอนที่ติดอยู่ในการทดลองพวกเขาใช้ไทเทเนียมฟอสเฟตคริสตัลที่ไม่ใช่เชิงเส้นที่มีโครงสร้างโดเมนเป็นระยะ ๆ เขาถูก "ยิง" ด้วยพัลส์ picosecond ของแสงที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์ไทเทเนียมแซฟไฟร์ เป็นผลให้คู่ที่ซับซ้อนของโฟตอนเกิดในคริสตัลซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้ส่งไปยังช่องแสงสองช่องทางที่แตกต่างกัน หนึ่งในนั้นแสงถูกลดลง 20 เท่าด้วยความช่วยเหลือของกระจกสีซึ่งเป็นผลจากการที่ระดับของสิ่งกีดขวางตกลงไปเกือบเป็นศูนย์ นี้สอดคล้องกับระดับการสูญเสียของ 65 กิโลเมตรของสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกทั่วไป จากนั้นสัญญาณที่ถูกลดทอนถูกส่งไปยังตัวแยกลำแสงซึ่งมันได้รับการแปรรูปเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาควอนตัม นักวิทยาศาสตร์จากกลุ่ม Lvov เรียกกระบวนการนี้ว่า "กลั่นควอนตัม" (Quantum Distillation) เนื่องจากมีโฟตอนน้อยกว่าที่ปล่อยออกมาแต่ระดับของพวกเขาพัวพันเพิ่มขึ้นเกือบจะเป็นต้นฉบับ "ในล้านของโฟตอนที่พันกันอย่างอ่อนแอหนึ่งจะยุ่งมาก แต่ในขณะเดียวกันระดับของความสัมพันธ์จะกลับสู่สภาพเดิมและถึงแม้ว่าอัตราการถ่ายโอนข้อมูลจะลดลงเล็กน้อย แต่เราสามารถเชื่อมต่อได้อย่างมั่นคงในระยะไกลมากขึ้น" อเล็กซานเด Lvov ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมงานของ Lvov กล่าว

ไม่เพียง แต่สำหรับสายลับเท่านั้น

จากเทคโนโลยีนี้จะสามารถสร้างตัวควอนตัมเรเดียนที่เหมาะสำหรับการใช้งานในเชิงพาณิชย์ "มีวิธีการอื่น ๆ สำหรับเรื่องนี้ แต่ก็ไม่ชัดเจนว่าจะใช้อย่างไรในสภาวะของแหล่งที่มีอยู่ของสิ่งกีดขวางควอนตัม แต่ดูเหมือนว่าจะมีราคาสูงเกินไปบางทีตัวทำซ้ำของเราจะง่ายกว่าและราคาถูกกว่า" Lvovsky กล่าว ในความเห็นของเขาภายใต้เงื่อนไขที่ดีต้นแบบแรกของ repeater ดังกล่าวสามารถสร้างขึ้นในสี่ถึงห้าปี และลักษณะของมันในตลาดสามารถเปิดทางสำหรับการประยุกต์ใช้มวลมหาศาลอย่างแท้จริงของการเข้ารหัสเชิงควอนตัมซึ่งจะเปลี่ยนชีวิตของนายทหารหรือนายธนาคารอย่างจริงจัง

"เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับเราแต่ละคนการเข้ารหัสเชิงควอนตัมไม่ได้เป็นเพียงความลับทางการทหารหรือหน่วยสืบราชการลับเท่านั้นซึ่งเป็นหมายเลขบัตรเครดิตซึ่งเป็นข้อมูลทางการแพทย์เราทุกคนมีข้อมูลที่เป็นความลับมากและโลกเปิดกว้างมากขึ้นความสำคัญยิ่งสำหรับเราในการควบคุมการเข้าถึงนั้นลวิฟสกีกล่าว ข้อมูล


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: