Uwikłane światło, kwantowe pieniądze

W ostatnich latach austriacki fizyk Anton Zeilinger odbił splątane fotony od orbitujących satelitów i sprawił, że 60-atomowe cząsteczki fulerenów istnieją w superpozycji kwantowej – zasadniczo jako rozmaz wszystkich możliwych pozycji i stanów energetycznych w lokalnej czasoprzestrzeni. Teraz ma nadzieję, że spróbuje tego samego wyczynu z bakteriami setki razy większymi. Tymczasem Hans Mooij z Delft University of Technology wraz z Sethem Lloydem, który kieruje Centrum Ekstremalnej Teorii Informacji Kwantowej MIT, stworzyli stany kwantowe (które występują, gdy cząstki lub układy cząstek są superpozycji) w skalach znacznie powyżej poziomu kwantowego, konstruując pętla nadprzewodząca, widoczna dla ludzkiego oka, która przenosi nadprąd, którego elektrony biegną jednocześnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, służąc tym samym jako obwód obliczeniowy kwantowy.

Dwa węzły sieci kwantowej, którą naukowcy z Caltech stworzyli poprzez zatrzymanie splątanych fotonów w dwóch zespołach atomów cezu umieszczonych w systemie ultrawysokiej próżni. Tymczasowe przechowywanie splątania stanowi podstawę do przechowywania danych kwantowych, co może być przydatne w różnych zastosowaniach, w tym w kryptografii kwantowej.

Fizyk Richard Feynman zaproponował ideę obliczeń kwantowych w 1981 roku, aby wykorzystać potencjał przetwarzania informacji atomów, fotonów i cząstek elementarnych. Do tej pory dziedzina posunęła się na tyle daleko, że naukowcy nie tylko są w stanie manipulować fizyką w celu uzyskania bezprecedensowych efektów eksperymentalnych, ale także zaproponowali zastosowania komercyjne.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2009

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jednak zanim technologie takie jak komunikacja kwantowa, obliczenia i metrologia będą mogły zrealizować swój potencjał – internet kwantowy i niepodrabialne pieniądze to dwie interesujące możliwości – sieci kwantowe muszą być w stanie przesyłać i przechowywać dane. Grupa optyki kwantowej z Kalifornijskiego Instytutu Technologii pracuje nad tym celem. Zespołem kieruje H. Jeff Kimble, Valentine Professor of Physics, który w 1998 roku kierował wysiłkiem, w wyniku którego dokonano pierwszej jednoznacznej teleportacji stanu kwantowego jednego fotonu – to znaczy informacji reprezentowanych przez jego spin, energię itp. – do innego fotonu . Teraz Kimble i jego zespół zademonstrowali sposób na splątanie – nielokalną relację, która umożliwia teleportację kwantową, którą Einstein sceptycznie odrzucił jako upiorne działanie na odległość – które można stworzyć w sieciach.

Podobnie jak ruch elektronów w obwodach mikroprocesorowych przesyła dane w dzisiejszych komputerach, teleportacja stanów kwantowych między splątanymi cząstkami spełniłaby to zadanie w sieciach kwantowych. Jeśli chodzi o przechowywanie danych, mówi Kyung Soo Choi, badacz z grupy Kimble, głównym pytaniem, które rozwiązał jeden z ich ostatnich eksperymentów, było: Jak zamienić splątane światło w splątanie materii iz powrotem w światło? Stany splątane są kruche, a sieci splątanego światła będą wymagały powtarzających się urządzeń – podobnie jak dalekosiężne sieci światłowodowe wymagają optoelektronicznych urządzeń powtarzalnych do regeneracji słabnących sygnałów. Dlatego splątanie będzie musiało być generowane i przechowywane w podsystemach składowych w ramach większej sieci kwantowej. Teraz Kimble i jego zespół zademonstrowali techniczne rozwiązanie problemu.

SUROWCE:
Funkcjonalne węzły kwantowe do dystrybucji splątania w skalowalnych sieciach kwantowych
Chin-Wen Chou, Julien Laurat, Hui Deng, Kyung Soo Choi, Hugues de Riedmatten, Daniel Felinto i H. Jeff Kimble
Nauka 316: 1316–1320 (2007)

Mapowanie splątania fotonicznego do i z pamięci kwantowej
K.S. Choi, H. Deng, J. Laurat i H.J. Kimble
Natura 452: 67-71 (2008).

Zespół Caltech wykorzystał dwa zespoły atomów cezu, na których stany wpływały laserem, czyniąc je przezroczystymi lub nieprzezroczystymi, w zależności od potrzeb, aby manipulować prędkościami nadchodzących fotonów. Następnie naukowcy podzielili pojedyncze fotony, umieszczając je w superpozycji – to znaczy, że były częścią tej samej kwantowej funkcji falowej, a tym samym splątane – zapewniając jednocześnie, że propagują się wzdłuż dwóch ścieżek do dwóch zespołów cezowych. Choi wyjaśnia: Zwolniliśmy światło do pełzania i zatrzymaliśmy je wewnątrz materii, dezaktywując laser kontrolny, który sprawiał, że zespoły cezu były przezroczyste, więc informacja kwantowa – splątane światło – była przechowywana wewnątrz zespołów atomowych. Reaktywując laser kontrolny, ponownie przyspieszyliśmy fotony do normalnej prędkości, przywracając wiązki splątanego światła. Do tej pory naukowcy z Caltech przechowywali splątanie w materii przez okres jednej mikrosekundy. Kimble szacuje, że on i jego zespół mogą wydłużyć ten czas do 10 mikrosekund.

Kimble ma dworski dżentelmen z Teksasu, jak odkryłem po tym, jak kierownik laboratorium znalazł go 15 minut w harmonogramie po dwóch tygodniach, gdy fizyk był nieobecny, prezentując się na czterech konferencjach na dwóch kontynentach. Te 15 minut stało się samouczkiem na temat najnowszych postępów technicznych w weryfikacji i ilościowym określeniu splątania. Pomiar jest głównym problemem w mechanice kwantowej, ponieważ każda cząstka lub układ istnieje w stanie kwantowym tylko do czasu, gdy inny układ, tak mały jak zabłąkana cząsteczka powietrza, czy tak złożony jak ludzki obserwator, uzyska informacje o tym i tym samym załamie ten stan . To jest zdumiewająco zawiła sprawa. Jednak poza omówieniem metrologii kwantowej Kimble sformułował jedno łatwe do zrozumienia twierdzenie: techniczną bazą naszego społeczeństwa jest handel informacjami. W ciągu najbliższych 20 lat informatyka kwantowa – połączenie informatyki i mechaniki kwantowej, która nie istniała 20 lat temu – radykalnie zmieni ten handel.

Rewolucyjna technologia, którą wyobraża sobie Kimble, to duże sieci kwantowe, przypominające Internet, ale oparte na splątaniu. Jakie nieodłączne korzyści sprzyjałyby rozwojowi i adopcji takich sieci?

Istotne. Sieci kwantowe zostały już zbudowane na ograniczoną skalę. W 2004 roku w Cambridge, MA, uruchomiono pierwszy na świecie system trwałej kryptografii kwantowej, łączący Harvard, Boston University i wykonawcę DARPA BBN Technologies (wcześniej znane jako Bolt Beranek i Newman, pod którą to nazwą firma stworzyła oryginalny ARPAnet). Dzisiaj szwajcarska firma id Quantique i amerykańska MagiQ Technologies oferują komercyjne moduły wykorzystujące światłowód do przesyłania kluczy kwantowych w postaci fotonów zakodowanych jako bity poprzez kontrolowanie ich polaryzacji, na ograniczone odległości, które osiągają około 100 kilometrów. Ponieważ próby przechwycenia tych cząstek światła zakłóciłyby ich stan i ujawniły podsłuchiwanie, takie systemy kryptografii kwantowej zapewniają absolutne bezpieczeństwo danych.

Co więcej, perspektywa obliczeń kwantowych była pierwszym impulsem do badań nad sieciami kwantowymi. Jeśli takie obliczenia mogą być wykonane na poważnie (do tej pory eksperymenty wykorzystywały co najwyżej siedem kubitów, czyli kwantowych cyfr binarnych), to obiecuje przewyższyć klasyczne obliczenia pod znaczącymi względami. Scott Aaronson, ekspert MIT od złożoności obliczeniowej, cytuje algorytm opublikowany w 1994 roku przez matematyka z MIT Petera Shora jako przełom, który dowiódł, że obliczenia kwantowe są wykonalną propozycją, pokazując, że mogą one uwzględniać bardzo duże liczby w rozsądnym czasie obliczeniowym. Ponieważ zadanie to wykraczało poza klasyczne komputery, większość kryptografii z kluczem publicznym była dotychczas oparta na faktoryzacji dużych liczb. Ale byłby podatny na kryptoanalizę opartą na obliczeniach kwantowych. Jak mówi Aaronson, właśnie dlatego Agencja Bezpieczeństwa Narodowego jest zainteresowana obliczeniami kwantowymi. Jednak kryptografia kwantowa zapewniłaby bezpieczeństwo danych przed kwantowym łamaniem kodu, a także przed regularną kryptoanalizą.

Oprócz zapewnienia bezpieczeństwa danych, kwantowe sieci rozległych przemienników (QWAN), o których Kimble ma na myśli, miałyby kilka problemów z opóźnieniami obecnych sieci – w rzeczywistości mogłyby być niemal natychmiastowe, na ile pozwala na to prędkość światła. Co więcej, wykładniczy równoległość, która nadałaby obliczeniom kwantowym jego moc – z dwiema splątanymi cząstkami lub kubitami reprezentującymi cztery różne wartości, czterema kubitami – 16 wartościami itd. – powinna mieć zastosowanie w sieciach urządzeń do obliczeń kwantowych. Kimble mówi: Chociaż będzie największy możliwy do osiągnięcia rozmiar przestrzeni stanów poszczególnych jednostek przetwarzania kwantowego, możliwe będzie przekroczenie tego, łącząc te jednostki w sieć w pełni kwantową. Przestrzeń stanów komputera kwantowego to pełny zakres potencjalnych stanów, w których komputer może istnieć. Po uruchomieniu algorytmu kwantowego ten proces obliczeniowy załamuje tę przestrzeń stanów i zmniejsza zakres możliwych stanów komputera do jednego: prawidłowej odpowiedzi na dany problem. W przypadku sieci komputerów kwantowych, twierdzi Kimble, wykładnicza moc obliczeniowa każdego urządzenia zostałaby zwielokrotniona wykładniczo.

Seth Lloyd z MIT zastanowił się nad opcjami projektowania sieci kwantowych. Jak mówi, sieci wykorzystujące zespoły atomów cezu są jedną z najbardziej obiecujących technologii transportu informacji kwantowych na duże odległości. Jednak podejście zespołowe jest stosunkowo nieporęczne, a im większy system kwantowy, tym większe problemy z obliczeniami. Lloyd mówi, że podejścia oparte na obwodach, takie jak pętle nadprzewodnikowe, są bardziej skalowalne na małej przestrzeni, z potencjalnie dużą liczbą kubitów na jednej płytce drukowanej. Ale takie systemy nie nadają się do komunikacji. Kimble i ja współpracowaliśmy nad koncepcjami wykorzystującymi pojedyncze atomy zamiast zespołów, mówi. Gdybyśmy mogli przenosić informacje między zespołami atomowymi a pojedynczymi jonami i pułapkami jonowymi, byłaby to skalowalna technologia kwantowa. Według Lloyda prawdopodobnym scenariuszem wydaje się wykorzystanie zespołów do komunikacji i bardziej zlokalizowanych, skalowalnych urządzeń kwantowych, takich jak pętle nadprzewodzące lub pułapki jonowe, do obliczeń.

Kimble ma więc rozsądny argument, że sieci kwantowe są wykonalne. A korzyści, jakie sobie wyobraża – absolutne bezpieczeństwo danych, brak opóźnień i dalszy wykładniczy wzrost mocy obliczeniowej – nie mogą być pomijalne w świecie handlu informacjami.

Niektóre komercyjne zastosowania technologii informacji kwantowej są dość oczywiste. Handlarze giełdowymi ludźmi zaczęli polegać na skomputeryzowanych programach handlowych znanych jako traderzy wysokiej częstotliwości (HFT). W niektóre dni generują one ponad połowę wolumenu na giełdzie nowojorskiej. Główne instytucje handlowe wydały miliony na rozwój swoich algorytmów do analizy danych rynkowych i wykonywania dużej liczby transakcji zgodnie ze strategiami, które są w większości wyrafinowanymi odmianami kupowania mikrosekund po otrzymaniu niektórych danych, a następnie sprzedawania mikrosekund później kosztem innych traderów, którzy mogliby t uzyskać dane lub ich transakcje tak szybko. Traderzy futures, którzy korzystają z niemal natychmiastowych sieci kwantowych, będą mieli wyraźną przewagę nad tymi, którzy tego nie robią.

Możliwe są również inne zastosowania komercyjne. Scott Aaronson zasugerował jedną z nich w artykule zatytułowanym Quantum Copy-Protection and Quantum Money. Zauważył, że stanów kwantowych nie da się skopiować, ponieważ każdy proces pomiarowy je niszczy, co stwarza możliwość wykorzystania stanów kwantowych jako informacji nieklonowalnej. Skorzystanie z tej możliwości będzie wymagało obejścia faktu, że stany kwantowe załamują się pod pomiarami i stworzenia, po pierwsze (dla celów pieniądza kwantowego), stanów nieklonowalnych, które można zweryfikować jako autentyczne, a po drugie (dla celów ochrony przed kopiowaniem kwantowym) stanów nieklonowalnych, które nadal zezwalaj na używanie chronionego oprogramowania, dysków DVD, CD i tak dalej. Aaronson wykazał, że co najmniej jeden rodzaj publicznie weryfikowalnych pieniędzy kwantowych i dwa schematy kwantowej ochrony przed kopiowaniem są teoretycznie wykonalne, co po raz pierwszy w historii stwarza możliwość absolutnie niepodrabialnych pieniędzy i nieprzezwyciężalnej ochrony praw cyfrowych.

Pierwsza generacja pieniądza pojawiła się wraz z wynalezieniem monet w Lidii prawie 3000 lat temu, druga generacja to papierowe weksle emitowane przez banki renesansowych Włoch, a trzecia to pieniądz elektroniczny i wirtualna gospodarka ery nowożytnej. Jeśli naukowcy tacy jak Kimble i Aaronson mają rację, sieci kwantowe mogą wkrótce dać początek kolejnej generacji pieniędzy.

Mark Williams jest redaktorem współpracującym z Przegląd technologii.

ukryć