Transfer informasi kuantum akan menjadi lebih andal. Lebih dari cinta

Telegraf “membunuh” surat merpati. Radio menggantikan telegraf kabel. Radio, tentu saja, tidak hilang di mana pun, tetapi teknologi transmisi data lainnya telah muncul - kabel dan nirkabel. Generasi standar komunikasi saling menggantikan dengan sangat cepat: 10 tahun yang lalu Internet Seluler adalah sebuah kemewahan, dan sekarang kami menunggu 5G. Dalam waktu dekat, kita akan membutuhkan teknologi baru yang secara fundamental tidak kalah unggulnya dengan teknologi modern dibandingkan telegraf radio dibandingkan merpati.

Apa yang mungkin terjadi dan bagaimana dampaknya terhadap semua komunikasi seluler masih belum ditentukan.

Realitas virtual, pertukaran data di kota pintar menggunakan Internet of Things, menerima informasi dari satelit dan dari pemukiman yang terletak di planet lain tata surya, dan melindungi seluruh aliran ini - masalah seperti itu tidak dapat diselesaikan hanya dengan standar komunikasi baru.

Keterikatan kuantum

Saat ini, komunikasi kuantum digunakan, misalnya, di industri perbankan, yang memerlukan kepatuhan kondisi khusus keamanan. Perusahaan Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum sudah menawarkan sistem kripto yang siap pakai. Teknologi kuantum untuk keamanan dapat dibandingkan dengan senjata nuklir- ini hampir merupakan perlindungan mutlak, namun memerlukan biaya implementasi yang serius. Jika Anda mengirimkan kunci enkripsi menggunakan keterikatan kuantum, maka mencegatnya tidak akan memberikan informasi berharga apa pun kepada penyerang - pada output mereka hanya akan menerima serangkaian angka yang berbeda, karena keadaan sistem di mana pengamat eksternal melakukan intervensi berubah.

Sampai saat ini, tidak mungkin menciptakan sistem enkripsi global yang sempurna - hanya setelah beberapa puluh kilometer, sinyal yang dikirimkan memudar. Banyak upaya telah dilakukan untuk meningkatkan jarak ini. Tahun ini, Tiongkok meluncurkan satelit QSS (Quantum Experiments at Space Scale), yang seharusnya menerapkan skema distribusi kunci kuantum pada jarak lebih dari 7.000 kilometer.

Satelit akan menghasilkan dua foton yang terjerat dan mengirimkannya ke Bumi. Jika semuanya berjalan baik, distribusi kunci menggunakan partikel terjerat akan menandai dimulainya era komunikasi kuantum. Lusinan satelit semacam itu tidak hanya dapat menjadi basis bagi Internet kuantum baru di Bumi, tetapi juga komunikasi kuantum di luar angkasa: untuk pemukiman di Bulan dan Mars di masa depan, dan untuk komunikasi luar angkasa dengan satelit-satelit yang menuju ke luar tata surya.

Teleportasi kuantum

Dengan teleportasi kuantum, tidak terjadi perpindahan material suatu objek dari titik A ke titik B - yang terjadi adalah transfer "informasi", bukan materi atau energi. Teleportasi digunakan untuk komunikasi kuantum, seperti mentransfer informasi rahasia. Kita harus memahami bahwa ini bukanlah informasi dalam bentuk yang kita kenal. Dengan menyederhanakan model teleportasi kuantum, kita dapat mengatakan bahwa ini akan memungkinkan kita menghasilkan rangkaian angka acak di kedua ujung saluran, yaitu, kita akan dapat membuat bantalan enkripsi yang tidak dapat dicegat. Di masa mendatang, ini adalah satu-satunya hal yang dapat dilakukan dengan menggunakan teleportasi kuantum.

Untuk pertama kalinya di dunia, teleportasi foton terjadi pada tahun 1997. Dua dekade kemudian, teleportasi melalui jaringan serat optik menjadi mungkin dilakukan dalam jarak puluhan kilometer (sebagai bagian dari Eropa kriptografi kuantum rekornya adalah 144 kilometer). Secara teori, membangun jaringan kuantum di kota sudah memungkinkan. Namun, terdapat perbedaan yang signifikan antara kondisi laboratorium dan dunia nyata. Kabel serat optik dapat mengalami perubahan suhu, yang mengubah indeks biasnya. Akibat paparan sinar matahari, fase foton dapat bergeser, yang pada protokol tertentu akan menyebabkan kesalahan.

, Laboratorium Kriptografi Kuantum.

Eksperimen sedang dilakukan di seluruh dunia, termasuk di Rusia. Beberapa tahun lalu, jalur komunikasi kuantum pertama di negara itu muncul. Ini menghubungkan dua gedung Universitas ITMO di St. Petersburg. Pada tahun 2016, para ilmuwan dari Kazan Quantum Center KNITU-KAI dan ITMO University meluncurkan jaringan kuantum multi-node pertama di negara tersebut, sehingga mencapai kecepatan pembangkitan rangkaian kuantum yang diayak sebesar 117 kbit/s pada jalur sepanjang 2,5 kilometer.

Tahun ini, jalur komunikasi komersial pertama muncul - Pusat Kuantum Rusia menghubungkan kantor Gazprombank pada jarak 30 kilometer.

Pada musim gugur, fisikawan dari Laboratorium Teknologi Optik Kuantum di Universitas Negeri Moskow dan Yayasan Penelitian Lanjutan menguji sistem komunikasi kuantum otomatis pada jarak 32 kilometer, antara Noginsk dan Pavlovsky Posad.

Mempertimbangkan laju penciptaan proyek di bidang komputasi kuantum dan transmisi data, dalam 5-10 tahun (menurut para fisikawan itu sendiri), teknologi komunikasi kuantum akhirnya akan meninggalkan laboratorium dan menjadi sama seperti komunikasi seluler.

Kemungkinan kerugiannya

DI DALAM tahun terakhir masalah ini semakin banyak dibicarakan informasi keamanan di bidang komunikasi kuantum. Sebelumnya diyakini bahwa dengan menggunakan kriptografi kuantum, informasi dapat dikirimkan sedemikian rupa sehingga tidak dapat dicegat dalam keadaan apa pun. Ternyata tidak ada sistem yang benar-benar andal: fisikawan dari Swedia telah menunjukkan bahwa, dalam kondisi tertentu, sistem komunikasi kuantum dapat diretas berkat beberapa fitur dalam persiapan sandi kuantum. Selain itu, fisikawan dari Universitas California telah mengusulkan metode pengukuran kuantum lemah, yang sebenarnya melanggar prinsip pengamat dan memungkinkan seseorang menghitung keadaan sistem kuantum dari data tidak langsung.

Namun, adanya kerentanan bukanlah alasan untuk meninggalkan gagasan komunikasi kuantum. Perlombaan antara penyerang dan pengembang (ilmuwan) akan berlanjut pada tingkat yang baru secara fundamental: menggunakan peralatan dengan daya komputasi yang tinggi. Tidak semua peretas mampu membeli peralatan seperti itu. Selain itu, efek kuantum dapat mempercepat transfer data. Foton yang terjerat dapat mengirimkan informasi hampir dua kali lebih banyak per satuan waktu jika dikodekan lebih lanjut menggunakan arah polarisasi.

Komunikasi kuantum bukanlah obat mujarab, namun untuk saat ini komunikasi kuantum tetap menjadi salah satu obat mujarab arah yang menjanjikan perkembangan komunikasi global.

Telegraf “membunuh” surat merpati. Radio menggantikan telegraf kabel. Radio, tentu saja, tidak hilang di mana pun, tetapi teknologi transmisi data lainnya telah muncul - kabel dan nirkabel. Standar komunikasi dari generasi ke generasi saling menggantikan dengan sangat cepat: 10 tahun yang lalu, Internet seluler adalah sebuah kemewahan, dan sekarang kita sedang menunggu munculnya 5G. Dalam waktu dekat, kita akan membutuhkan teknologi baru yang secara fundamental tidak kalah unggulnya dengan teknologi modern dibandingkan telegraf radio dibandingkan merpati.

Apa yang mungkin terjadi dan bagaimana dampaknya terhadap semua komunikasi seluler masih belum ditentukan.

Realitas virtual, pertukaran data di kota pintar menggunakan Internet of Things, menerima informasi dari satelit dan dari pemukiman yang terletak di planet lain di tata surya, dan melindungi seluruh aliran ini - masalah seperti itu tidak dapat diselesaikan hanya dengan standar komunikasi baru.

Keterikatan kuantum

Saat ini, komunikasi kuantum digunakan, misalnya, di industri perbankan, yang memerlukan kondisi keamanan khusus. Perusahaan Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum sudah menawarkan sistem kripto yang siap pakai. Teknologi kuantum untuk menjamin keamanan dapat disamakan dengan senjata nuklir - ini hampir merupakan perlindungan mutlak, namun memerlukan biaya implementasi yang serius. Jika Anda mengirimkan kunci enkripsi menggunakan keterikatan kuantum, maka mencegatnya tidak akan memberikan informasi berharga apa pun kepada penyerang - pada output mereka hanya akan menerima serangkaian angka yang berbeda, karena keadaan sistem di mana pengamat eksternal melakukan intervensi berubah.

Sampai saat ini, tidak mungkin menciptakan sistem enkripsi global yang sempurna - hanya setelah beberapa puluh kilometer, sinyal yang dikirimkan memudar. Banyak upaya telah dilakukan untuk meningkatkan jarak ini. Tahun ini, Tiongkok meluncurkan satelit QSS (Quantum Experiments at Space Scale), yang seharusnya menerapkan skema distribusi kunci kuantum pada jarak lebih dari 7.000 kilometer.

Satelit akan menghasilkan dua foton yang terjerat dan mengirimkannya ke Bumi. Jika semuanya berjalan baik, distribusi kunci menggunakan partikel terjerat akan menandai dimulainya era komunikasi kuantum. Lusinan satelit semacam itu tidak hanya dapat menjadi basis bagi Internet kuantum baru di Bumi, tetapi juga komunikasi kuantum di luar angkasa: untuk pemukiman di Bulan dan Mars di masa depan, dan untuk komunikasi luar angkasa dengan satelit-satelit yang menuju ke luar tata surya.

Teleportasi kuantum

Dengan teleportasi kuantum, tidak terjadi perpindahan material suatu objek dari titik A ke titik B - yang terjadi adalah transfer "informasi", bukan materi atau energi. Teleportasi digunakan untuk komunikasi kuantum, seperti mentransfer informasi rahasia. Kita harus memahami bahwa ini bukanlah informasi dalam bentuk yang kita kenal. Dengan menyederhanakan model teleportasi kuantum, kita dapat mengatakan bahwa ini akan memungkinkan kita menghasilkan rangkaian angka acak di kedua ujung saluran, yaitu, kita akan dapat membuat bantalan enkripsi yang tidak dapat dicegat. Di masa mendatang, ini adalah satu-satunya hal yang dapat dilakukan dengan menggunakan teleportasi kuantum.

Untuk pertama kalinya di dunia, teleportasi foton terjadi pada tahun 1997. Dua dekade kemudian, teleportasi melalui jaringan serat optik menjadi mungkin dalam jarak puluhan kilometer (dalam kerangka program Eropa di bidang kriptografi kuantum, rekornya adalah 144 kilometer). Secara teori, membangun jaringan kuantum di kota sudah memungkinkan. Namun, terdapat perbedaan yang signifikan antara kondisi laboratorium dan dunia nyata. Kabel serat optik dapat mengalami perubahan suhu, yang mengubah indeks biasnya. Akibat paparan sinar matahari, fase foton dapat bergeser, yang pada protokol tertentu akan menyebabkan kesalahan.

, Laboratorium Kriptografi Kuantum.

Eksperimen sedang dilakukan di seluruh dunia, termasuk di Rusia. Beberapa tahun lalu, jalur komunikasi kuantum pertama di negara itu muncul. Ini menghubungkan dua gedung Universitas ITMO di St. Petersburg. Pada tahun 2016, para ilmuwan dari Kazan Quantum Center KNITU-KAI dan ITMO University meluncurkan jaringan kuantum multi-node pertama di negara tersebut, sehingga mencapai kecepatan pembangkitan rangkaian kuantum yang diayak sebesar 117 kbit/s pada jalur sepanjang 2,5 kilometer.

Tahun ini, jalur komunikasi komersial pertama muncul - Pusat Kuantum Rusia menghubungkan kantor Gazprombank pada jarak 30 kilometer.

Pada musim gugur, fisikawan dari Laboratorium Teknologi Optik Kuantum di Universitas Negeri Moskow dan Yayasan Penelitian Lanjutan menguji sistem komunikasi kuantum otomatis pada jarak 32 kilometer, antara Noginsk dan Pavlovsky Posad.

Mempertimbangkan laju penciptaan proyek di bidang komputasi kuantum dan transmisi data, dalam 5-10 tahun (menurut para fisikawan itu sendiri), teknologi komunikasi kuantum akhirnya akan meninggalkan laboratorium dan menjadi sama seperti komunikasi seluler.

Kemungkinan kerugiannya

Dalam beberapa tahun terakhir, isu keamanan informasi di bidang komunikasi kuantum semakin ramai dibicarakan. Sebelumnya diyakini bahwa dengan menggunakan kriptografi kuantum, informasi dapat dikirimkan sedemikian rupa sehingga tidak dapat dicegat dalam keadaan apa pun. Ternyata tidak ada sistem yang benar-benar andal: fisikawan dari Swedia telah menunjukkan bahwa, dalam kondisi tertentu, sistem komunikasi kuantum dapat diretas berkat beberapa fitur dalam persiapan sandi kuantum. Selain itu, fisikawan dari Universitas California telah mengusulkan metode pengukuran kuantum lemah, yang sebenarnya melanggar prinsip pengamat dan memungkinkan seseorang menghitung keadaan sistem kuantum dari data tidak langsung.

Namun, adanya kerentanan bukanlah alasan untuk meninggalkan gagasan komunikasi kuantum. Perlombaan antara penyerang dan pengembang (ilmuwan) akan berlanjut pada tingkat yang baru secara fundamental: menggunakan peralatan dengan daya komputasi yang tinggi. Tidak semua peretas mampu membeli peralatan seperti itu. Selain itu, efek kuantum dapat mempercepat transfer data. Foton yang terjerat dapat mengirimkan informasi hampir dua kali lebih banyak per satuan waktu jika dikodekan lebih lanjut menggunakan arah polarisasi.

Komunikasi kuantum bukanlah obat mujarab, namun untuk saat ini komunikasi kuantum tetap menjadi salah satu bidang yang paling menjanjikan bagi perkembangan komunikasi global.

Fisikawan Rusia dan Ceko-Slowakia telah mengusulkan metode untuk melestarikan keterikatan kuantum foton ketika melewati amplifier atau mentransmisikan jarak jauh.

Keterikatan kuantum atau keterjeratan partikel merupakan fenomena hubungan antara karakteristik kuantumnya. Hal ini dapat timbul dari lahirnya partikel dalam suatu peristiwa atau interaksinya. Koneksi ini dapat dipertahankan bahkan jika partikel-partikelnya tersebar dalam jarak yang jauh, sehingga memungkinkan untuk mengirimkan informasi dengan bantuan mereka. Faktanya adalah jika Anda mengukur karakteristik kuantum salah satu partikel yang terikat, maka karakteristik partikel kedua secara otomatis diketahui. Efeknya tidak memiliki analogi dalam fisika klasik. Hal ini dibuktikan secara eksperimental pada tahun 1970an dan 80an, dan telah dipelajari secara aktif dalam beberapa dekade terakhir. Di masa depan, hal ini mungkin menjadi dasar bagi beberapa hal teknologi Informasi masa depan.

Gambar oleh D. Bell dalam naskah makalahnya tahun 1980. Di sebelah kiri tertulis dalam bahasa Prancis "Kaus Kaki Tuan Bertleman dan Sifat Realitas". Di atas kaki kiri tertulis: “merah muda”, di atas kaki kanan: “bukan merah muda”.

Fasilitas penelitian teleportasi kuantum di Universitas Tokyo.

Visualisasi proses teleportasi kuantum qubit. Di sebelah kiri adalah pemancar, di sebelah kanan adalah penerima, di antaranya informasi tentang keadaan kuantum qubit ditransmisikan menggunakan foton yang terjerat.

Analogi lucu sehari-hari untuk fenomena ini ditemukan oleh salah satu penelitinya, fisikawan teoretis John Bell. Rekannya Reinhold Bertlmann menderita linglung dan sering datang bekerja dengan kaus kaki warna berbeda. Mustahil untuk memprediksi warna-warna ini, tetapi Bell bercanda bahwa Anda hanya perlu melihat kaus kaki merah muda di kaki kiri Bertleman untuk menyimpulkan bahwa ia memiliki kaus kaki dengan warna berbeda di kaki kanannya bahkan tanpa melihatnya.

Salah satu masalahnya penggunaan praktis Fenomena keterjeratan kuantum merupakan terganggunya komunikasi ketika partikel berinteraksi dengan dunia luar. Hal ini dapat terjadi ketika sinyal diperkuat atau ditransmisikan dalam jarak jauh. Kedua faktor ini juga dapat bekerja bersama-sama, karena untuk mengirimkan sinyal dalam jarak jauh sinyal harus diperkuat. Oleh karena itu, foton, setelah melewati serat optik berkilo-kilometer, dalam banyak kasus berhenti menjadi terjerat kuantum dan berubah menjadi kuanta cahaya biasa yang tidak berhubungan. Untuk menghindari gangguan komunikasi dalam eksperimen komputasi kuantum, perlu menggunakan pendinginan hingga suhu mendekati nol mutlak.

Fisikawan Sergei Filippov (MIPT dan Pusat Kuantum Rusia di Skolkovo) dan Mario Ziman (Universitas Masaryk di Brno, Republik Ceko, dan Institut Fisika di Bratislava, Slovakia) telah menemukan cara untuk mempertahankan keterikatan kuantum foton ketika melewati amplifier atau, sebaliknya, ketika mentransmisikan jarak jauh. Detailnya dipublikasikan dalam artikel (lihat juga pracetak) untuk jurnal Tinjauan Fisik A.

Inti dari usulan mereka adalah untuk mengirimkan sinyal tipe tertentu perlu bahwa “fungsi gelombang partikel dalam representasi koordinat tidak boleh berbentuk paket gelombang Gaussian.” Dalam hal ini, kemungkinan kehancuran keterikatan kuantum menjadi jauh lebih rendah.

Fungsi gelombang adalah salah satu konsep dasar mekanika kuantum. Ini digunakan untuk menggambarkan keadaan sistem kuantum. Secara khusus, fenomena keterjeratan kuantum dijelaskan berdasarkan gagasan tentang kondisi umum partikel terikat dengan fungsi gelombang tertentu. Menurut interpretasi mekanika kuantum Kopenhagen, arti fisik dari fungsi gelombang objek kuantum dalam representasi koordinat adalah bahwa kuadrat modulusnya menentukan kemungkinan mendeteksi objek pada titik tertentu. Dengan bantuannya Anda juga dapat memperoleh informasi tentang momentum, energi atau lainnya kuantitas fisik obyek.

Fungsi Gaussian adalah salah satu fungsi matematika terpenting, yang telah diterapkan tidak hanya dalam fisika, tetapi juga dalam banyak ilmu lain, termasuk sosiologi dan ekonomi, yang berhubungan dengan kejadian dan penggunaan probabilistik. metode statistik. Banyak proses di alam mengarah ke fungsi ini selama pemrosesan matematis hasil observasi. Grafiknya terlihat seperti kurva berbentuk lonceng.

Foton biasa, yang sekarang digunakan dalam sebagian besar eksperimen keterjeratan kuantum, juga dijelaskan oleh fungsi Gaussian: probabilitas menemukan foton pada titik tertentu, bergantung pada koordinat titik tersebut, memiliki bentuk Gaussian berbentuk lonceng. Seperti yang ditunjukkan oleh penulis karya tersebut, dalam hal ini tidak mungkin mengirim belitan jauh, meskipun sinyalnya sangat kuat.

Penggunaan foton yang fungsi gelombangnya memiliki bentuk non-Gaussian yang berbeda akan meningkatkan jumlah pasangan foton terjerat yang mencapai penerima secara signifikan. Namun, ini tidak berarti bahwa sinyal dapat ditransmisikan melalui media buram yang sewenang-wenang atau melalui jarak yang sangat jauh - jika rasio sinyal terhadap kebisingan turun di bawah ambang batas kritis tertentu, maka efek keterikatan kuantum akan hilang dalam hal apa pun.

Fisikawan telah mempelajari cara membuat foton terjerat yang berjarak beberapa ratus kilometer, dan telah menemukan beberapa penerapan yang sangat menjanjikan bagi foton tersebut. Misalnya saja untuk membuat komputer kuantum. Arah ini tampaknya menjanjikan karena perangkat fotonik berkecepatan tinggi dan konsumsi daya yang rendah.

Arah lainnya adalah kriptografi kuantum, yang memungkinkan terciptanya jalur komunikasi di mana “penyadapan” selalu dapat dideteksi. Hal ini didasarkan pada kenyataan bahwa setiap pengamatan terhadap suatu objek merupakan dampak terhadapnya. Dan mempengaruhi objek kuantum selalu mengubah keadaannya. Artinya, upaya untuk mencegat suatu pesan harus mengakibatkan hilangnya keterikatan, yang akan segera diketahui oleh penerima.

Selain itu, keterikatan kuantum memungkinkan terwujudnya apa yang disebut teleportasi kuantum. Jangan bingung dengan teleportasi (transportasi di luar angkasa) benda dan orang dari film fiksi ilmiah. Dalam kasus teleportasi kuantum, bukan objek itu sendiri yang ditransmisikan melalui jarak tertentu, tetapi informasi tentang keadaan kuantumnya. Masalahnya adalah semua objek kuantum (foton, partikel elementer), dan dengan mereka, atom-atom dari jenis yang sama benar-benar identik. Oleh karena itu, jika sebuah atom pada titik penerima memperoleh keadaan kuantum yang identik dengan atom pada titik transmisi, maka hal ini setara dengan membuat salinan atom pada titik penerima. Jika dimungkinkan untuk mentransfer keadaan kuantum semua atom suatu benda, maka salinan idealnya akan muncul di lokasi penerima. Untuk mentransfer informasi, Anda dapat melakukan teleportasi qubit - elemen terkecil untuk menyimpan informasi di komputer kuantum.

Perkembangan fisika kuantum eksperimental dalam beberapa dekade terakhir telah membuahkan hasil yang menarik. Ide-ide abstrak secara bertahap ditemukan penggunaan praktis. Di bidang optik kuantum, pertama-tama, penciptaan komputer kuantum dan telekomunikasi berdasarkan kriptografi kuantum - teknologi yang paling dekat dengan implementasi.

Jalur komunikasi optik modern tidak menjamin kerahasiaan informasi yang dikirimkan, karena jutaan foton bergerak di sepanjang jalur serat optik, sebagian besar saling menduplikasi, dan beberapa di antaranya dapat disadap tanpa diketahui oleh penerima.

Kriptografi kuantum menggunakan foton tunggal sebagai pembawa informasi, sehingga jika dicegat, foton tersebut tidak akan sampai ke penerima, yang akan segera menjadi sinyal bahwa sedang terjadi spionase.

Untuk menyembunyikan intersepsi, mata-mata harus mengukur keadaan kuantum foton (polarisasi atau fase) dan mengirimkan “duplikat” ke penerima. Namun menurut hukum mekanika kuantum, hal ini tidak mungkin, karena pengukuran apa pun yang dilakukan akan mengubah keadaan foton, yaitu tidak memungkinkan terciptanya “klon”-nya.

Keadaan ini menjamin kerahasiaan penuh dalam transmisi data, sehingga sistem seperti itu secara bertahap mulai digunakan di dunia oleh dinas rahasia dan jaringan perbankan.

Protokol kriptografi kuantum pertama ditemukan oleh ilmuwan Amerika Charles Bennett dan Jill Brassard pada tahun 1984, itulah sebabnya disebut BB84. Lima tahun kemudian mereka menciptakan sistem seperti itu Pusat Penelitian IBM, menempatkan pemancar dan penerima dalam wadah kedap cahaya dengan jarak hanya 30 cm satu sama lain. Sistem dikendalikan dari komputer pribadi dan mengizinkan pertukaran kunci rahasia melalui saluran udara (tanpa kabel) dengan kecepatan 10 bit/s.

Sangat lambat dan sangat dekat, tapi itu adalah langkah pertama.

Inti dari protokol BB84 adalah transmisi foton dengan polarisasi dalam empat kemungkinan arah. Dua arah vertikal-horizontal dan dua diagonal (dengan sudut plus atau minus 45 derajat). Pengirim dan penerima setuju bahwa, katakanlah, polarisasi vertikal dan polarisasi pada sudut plus 45 derajat sama dengan nol logis, dan polarisasi horizontal dan minus 45 derajat sama dengan satu. Kemudian pengirim mengirimkan ke penerima serangkaian foton tunggal, terpolarisasi secara acak di salah satu arah ini, dan penerima, melalui saluran komunikasi terbuka, melaporkan sistem koordinat (polarisasi) mana yang ia ukur dari sinar yang diterima, tetapi tidak melaporkannya. hasil pengukurannya. Karena setiap foton dapat bernilai nol atau satu, maka untuk pencegatnya adalah demikian informasi terbuka tidak berguna. Pengirim melaporkan apakah sistem koordinat untuk setiap foton sudah benar. Kemudian mereka menuliskan urutan yang cocok, yang menjadi kode biner siap pakai bagi mereka - kunci rahasia untuk mendekripsi data. Sekarang semua data terenkripsi dapat dikirim melalui jaringan terbuka.

Penemuan ini membangkitkan minat besar di seluruh dunia.

Pengkodean foton dengan polarisasi digunakan dalam hubungan komunikasi atmosfer eksperimental, karena ketika radiasi merambat melalui atmosfer, polarisasi radiasi akan sedikit berubah, dan untuk menekan radiasi matahari atau matahari. sinar bulan filter spektral, spasial dan temporal digunakan. Pada instalasi percobaan pertama tahun 1992, jarak antara pemancar dan penerima (panjang saluran kuantum) hanya 30 cm, pada tahun 2001 sudah hampir 2 km. Setahun kemudian, transmisi utama didemonstrasikan di luar negeri pada jarak yang melebihi ketebalan efektif atmosfer - 10 km dan 23 km. Pada tahun 2007, kuncinya ditransmisikan hingga jarak 144 km, dan pada tahun 2008, sinyal foton tunggal yang dipantulkan dari pulsa laser dari satelit direkam di Bumi.

Untuk menghasilkan foton tunggal, digunakan radiasi yang sangat dilemahkan dari laser semikonduktor. Namun Anda juga dapat menggunakan sumber foton tunggal - pemancar foton tunggal pada titik kuantum, yang dikembangkan di Institut Fisika Semikonduktor. A.V.Rzhanova SB RAS. Ini adalah struktur semikonduktor yang memungkinkan emisi radiasi hanya dari satu titik kuantum. Karena kerahasiaan transmisi memerlukan tidak lebih dari satu foton di setiap pulsa laser, fotodetektor dari node penerima harus tunduk pada persyaratan tinggi. Mereka harus memiliki probabilitas registrasi yang cukup tinggi (lebih dari 10%), tingkat kebisingan yang rendah, dan tingkat penghitungan yang tinggi.

Fotodioda longsoran dapat berfungsi sebagai detektor foton tunggal, yang berbeda dari yang konvensional dalam amplifikasi pulsa listrik: dalam fotodioda konvensional, tidak lebih dari satu elektron yang lahir per foton datang, dan dalam fotodioda longsoran - ribuan. Ketika tegangan pada fotodioda melebihi ambang batas tertentu dan sebuah foton mengenainya, terjadi penggandaan pembawa muatan seperti longsoran salju. Semakin tinggi tegangan di atas ambang batas, semakin besar kemungkinan terekamnya foton, namun juga semakin kuat noise.

Untuk menghilangkan kebisingan tersebut, detektor (detektor) harus didinginkan hingga minus 50 derajat Celcius dengan lemari es mikro semikonduktor khusus.

Namun detektor superkonduktor yang terbuat dari sekumpulan kawat nano setebal 50 nm juga dapat digunakan. Struktur seperti itu berada dalam rezim transisi dari konduksi ke superkonduktor. Melewati satu foton melalui detektor ini dan penyerapannya cukup untuk memanaskan kawat nano dan mengubah arus yang melaluinya. Foton yang masuk dideteksi oleh perubahan arus. Detektor superkonduktor jauh lebih tidak berisik dibandingkan fotodioda longsoran salju. Eksperimen asing dengan detektor superkonduktor telah menunjukkan hal ini jangkauan maksimum transmisi kunci kuantum - 250 km dibandingkan dengan 150 km saat menggunakan fotodioda longsoran. Faktor pembatas utama untuk penggunaan serial detektor superkonduktor adalah kebutuhan pendinginan mendalam menggunakan cryostat helium yang mahal.

Jangkauan dan kecepatan transmisi informasi dibatasi oleh kemampuan jalur komunikasi serat optik, efisiensi detektor, dan tingkat kebisingannya.

Jangkauan maksimum transmisi informasi menggunakan teknologi kriptografi kuantum melalui serat optik adalah sekitar 150 kilometer, tetapi pada jarak ini kecepatan transmisi hanya sekitar 10 bit per detik, dan pada jarak lima puluh kilometer - sekitar 10 kbit per detik.

Oleh karena itu, jalur komunikasi kuantum hanya bernilai tinggi untuk mengirimkan data sensitif.

Untuk jalur komunikasi serat optik digunakan berbagai cara mengkode keadaan kuantum foton. Beberapa kriptosistem pertama bekerja berdasarkan pengkodean polarisasi, seperti protokol BB84. Namun, dalam serat optik konvensional, polarisasi foton sangat terdistorsi, sehingga pengkodean fase adalah yang paling populer.

Kriptosistem serat optik kuantum komersial modern menggunakan desain optik dua jalur dan pengkodean fase foton. Sistem ini pertama kali digunakan oleh ilmuwan Swiss pada tahun 2002. Dalam skemanya, foton melewati saluran kuantum (serat optik yang panjangnya puluhan kilometer) dua kali - pertama dalam bentuk pulsa laser multifoton dari penerima ke pemancar, dan kemudian di sisi pemancar, foton dipantulkan dari penerima. disebut cermin Faraday, dilemahkan hingga tingkat foton tunggal dan dikirim kembali melalui saluran kuantum ke penerima. Cermin Faraday “memutar” polarisasi (arah) foton yang dipantulkan sebesar 90 derajat karena efek Faraday (rotasi polarisasi) dalam kaca magneto-optik khusus yang ditempatkan dalam medan magnet. Dan dalam perjalanan kembali ke penerima, semua polarisasi dan distorsi fase foton di saluran kuantum mengalami perubahan terbalik, yaitu kompensasi otomatis. Teknologi ini tidak memerlukan pengaturan saluran kuantum dan memungkinkan Anda bekerja dengan jalur komunikasi serat optik standar.

Saat ini, jalur komunikasi eksperimental di Rusia telah dibuat di Institut Fisika Semikonduktor Novosibirsk, di mana jalur tersebut saat ini sedang diuji dan disempurnakan dengan saluran kuantum sepanjang 25 km (direncanakan akan bertambah panjangnya hingga 100 km) .

Fitur khusus dari sistem yang dibuat adalah penggunaan pengontrol kecepatan tinggi yang dirancang khusus yang mengontrol pengaturan dan pengoperasiannya dalam mode otomatis. Hanya sedikit dari sistem ini yang telah dikembangkan di dunia, dan teknologi penerapannya tidak diungkapkan, jadi satu-satunya cara untuk memperkenalkan jalur komunikasi kuantum di negara kita adalah dengan pengembangan dalam negeri kita sendiri.

Disiapkan oleh Maria Rogovaya (Novosibirsk)

Terlepas dari kenyataan bahwa fenomena ini dijelaskan oleh teori mekanika kuantum dan dibuktikan secara eksperimental, banyak ilmuwan yang skeptis terhadapnya. Perpecahan dalam dunia ilmiah ini terjadi sejak perselisihan antara Albert Einstein dan Niels Bohr. Einstein mengatakan bahwa keterikatan kuantum adalah gagasan yang terlalu absurd dan tidak ada hubungannya dengan kenyataan dan pengamatan. Dia menyebutnya "interaksi hantu" ( tindakan seram), karena teori ini bertentangan dengan pernyataannya tentang kecepatan cahaya yang tidak dapat ditolak.

Saat ini, para ilmuwan dari Israel telah membuktikan secara eksperimental bahwa adalah mungkin untuk menciptakan sepasang foton yang memiliki hubungan kuantum, meskipun keduanya tidak ada pada waktu yang sama. Selain itu fakta yang menakjubkan agar koneksi semacam itu berfungsi bahkan pada jarak yang sangat jauh (setidaknya 13,8 miliar tahun cahaya), pemisahan waktu juga ditambahkan. Ternyata hubungan antara dua partikel begitu kuat sehingga keduanya dapat dipisahkan oleh ruang dan waktu, dan hubungan kuantum akan tetap berjalan.

Kuantum cahaya, juga dikenal sebagai foton (yang merupakan partikel dan gelombang) dapat terpolarisasi dan, pada kenyataannya, dapat mengambil dua keadaan: polarisasi vertikal dan horizontal. Keterjeratan terjadi ketika ada foton berpasangan, yang masing-masing dapat terpolarisasi secara horizontal atau vertikal. Koneksi kuantum mereka memanifestasikan dirinya sebagai berikut: jika kita mengukur keadaan satu foton, kita dapat dengan yakin mengatakan bahwa keadaan pasangannya akan menjadi kebalikannya. Artinya, jika sebuah partikel yang sifat-sifatnya dapat kita ketahui terpolarisasi secara vertikal, maka partikel berpasangan yang terletak setidaknya di ujung lain alam semesta akan terpolarisasi secara horizontal, dan sebaliknya.

Spesialis optik kuantum Eli Megidish dan rekannya Hagai Eisenberg dari Universitas Ibrani Yerusalem menciptakan hubungan kuantum antara dua foton yang tidak ada pada waktu yang bersamaan.

Mereka memulai dengan skema yang dikenal sebagai pertukaran keterikatan ( pertukaran keterikatan). Untuk melakukan ini, mereka mengarahkan sinar laser dua kali ke kristal khusus untuk menghasilkan dua pasang foton. Partikel yang dihasilkan diberi nomor: pasangan 1 dan 2, pasangan 3 dan 4. Awalnya, partikel 1 dan 4 tidak memiliki hubungan kuantum, tetapi seharusnya muncul segera setelah para ilmuwan menemukan belitan antara foton 2 dan 3.

“Pengukuran proyeksi” sifat-sifat salah satu partikel menyebabkan munculnya keadaan tertentu, serta perubahan keadaan partikel berpasangan menjadi sebaliknya, seperti dalam kasus polarisasi vertikal dan horizontal. Jadi, meskipun foton 2 dan 3 pada awalnya tidak terjerat, melalui pengukuran, fisikawan memberikan salah satu dari dua keadaan tersebut, dan “pasangannya” memberikan kebalikannya.

Pengukuran apa pun menyebabkan belitan foton, meskipun salah satunya hancur. Jadi, jika kita hanya mempertimbangkan kasus di mana partikel 2 dan 3 berada dalam keadaan yang sama, maka foton 1 dan 4 secara otomatis menjadi terjerat setelah pengukuran. Untuk pemahaman yang lebih baik, Anda dapat memberikan contoh sederhana: jika Anda memiliki rantai yang terdiri dari empat mata rantai, maka ketika mata rantai luarnya terhubung, mata rantai tengah juga menjadi terhubung.

Untuk menciptakan belitan kuantum antara foton 1 dan 4, yang bahkan tidak ada pada saat yang sama, Eisenberg dan rekan-rekannya pertama-tama menjerat foton dari pasangan 1 dan 2, lalu mengukur polarisasi foton 1 dengan cara biasa. Kemudian fisikawan “menghubungkan” partikel 3 dan 4 dan melakukan “pengukuran proyeksi”. Tahap terakhir Para peneliti mengukur polarisasi foton 4. Dan meskipun foton 1 dan 4 tidak pernah hidup berdampingan, keterikatan kuantum masih muncul di antara keduanya, para ilmuwan melaporkan dalam pracetak makalah di arXiv.org.

Eisenberg mengatakan itu pun berdasarkan teori relativitas, dimana dua orang pengamat bergerak bersama pada kecepatan yang berbeda, mempersepsikan urutan peristiwa dalam waktu secara berbeda, tidak satupun dari mereka akan mengatakan bahwa partikel 1 dan 4 dari eksperimennya pernah ada secara bersamaan.

“Eksperimen kami menunjukkan bahwa tidak sepenuhnya logis untuk menganggap keterikatan kuantum sebagai sesuatu yang nyata fenomena fisik. Karena kedua foton tersebut tidak pernah ada pada waktu yang sama, mustahil untuk mengatakan bahwa ada hubungan di antara keduanya pada suatu saat,” kata Eisenberg.

Fisikawan Universitas Wina Anton Zeilinger percaya bahwa eksperimen rekan-rekannya di Israel sekali lagi membuktikan betapa tidak stabilnya konsep mekanika kuantum. “Efek kuantum memiliki sedikit kesamaan dengan apa yang kita amati kehidupan nyata setiap hari,” katanya.

Namun, kemajuan di bidang mekanika kuantum dapat mengubah kehidupan yang kita kenal secara radikal. Misalnya, berdasarkan penelitian Eisenberg dan rekan-rekannya, akan dimungkinkan untuk membuat koneksi tersembunyi yang tidak dapat dipecahkan antara dua pengguna yang berada pada jarak yang sangat jauh satu sama lain. Pengguna di ujung lain "kabel" tidak perlu menunggu sampai informasi dikirimkan: perubahan keadaan foton yang berlawanan akan langsung menyebabkan perubahan pasangannya. Zeilenger juga berharap eksperimen semacam itu dapat menginspirasi para pencipta komputer kuantum untuk meningkatkan teknologinya.