Kuantum bilgi aktarımı daha güvenilir hale gelecek. Sevgiden daha ötesi

Telgraf güvercin postasını “öldürdü”. Telgrafın yerini radyo aldı. Radyo elbette hiçbir yerde ortadan kaybolmadı, ancak kablolu ve kablosuz diğer veri aktarım teknolojileri ortaya çıktı. Nesillerdir iletişim standartları çok hızlı bir şekilde birbirinin yerine geçiyor: 10 yıl önce Mobil İnternet Lükstü, şimdi 5G'yi bekliyoruz. Yakın gelecekte, modern teknolojilerden, radyo telgraflarının güvercinlere göre daha az üstün olmayacağı temelde yeni teknolojilere ihtiyacımız olacak.

Bunun ne olabileceği ve tüm mobil iletişimleri nasıl etkileyeceği kesinti altında.

Sanal gerçeklik, akıllı bir şehirde nesnelerin internetini kullanarak veri alışverişi, uydulardan ve diğer gezegenlerdeki yerleşim yerlerinden bilgi alma Güneş Sistemi ve tüm bu akışın korunması - bu tür sorunlar tek başına yeni bir iletişim standardı ile çözülemez.

Kuantum dolaşıklığı

Günümüzde kuantum iletişimi, örneğin uyumluluğun gerekli olduğu bankacılık sektöründe kullanılıyor. Özel durumlar güvenlik. Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum şirketleri zaten hazır kriptosistemler sunuyor. Güvenlik için kuantum teknolojileri şunlara benzetilebilir: nükleer silahlar- bu neredeyse mutlak korumadır, ancak ciddi uygulama maliyetleri anlamına gelir. Kuantum dolaşma kullanarak bir şifreleme anahtarı iletirseniz, o zaman onu ele geçirmek saldırganlara herhangi bir değerli bilgi vermez; çıktıda yalnızca farklı bir sayı dizisi alırlar çünkü harici bir gözlemcinin müdahale ettiği sistemin durumu değişir.

Yakın zamana kadar küresel mükemmel bir şifreleme sistemi oluşturmak mümkün değildi; yalnızca birkaç on kilometre sonra iletilen sinyal soldu. Bu mesafeyi artırmak için birçok girişimde bulunuldu. Bu yıl Çin, 7.000 kilometreden fazla mesafede kuantum anahtar dağıtım şemalarını uygulaması gereken QSS (Uzay Ölçeğinde Kuantum deneyleri) uydusunu fırlattı.

Uydu iki dolaşmış foton üretecek ve bunları Dünya'ya gönderecek. Her şey yolunda giderse, anahtarın dolaşık parçacıklar kullanılarak dağıtılması kuantum iletişim çağının başlangıcını işaret edecek. Bu tür düzinelerce uydu, yalnızca Dünya üzerinde yeni bir kuantum İnternetin değil, aynı zamanda uzaydaki kuantum iletişiminin de temelini oluşturabilir: Ay ve Mars'ta gelecekteki yerleşimler ve güneş sisteminin ötesine geçen uydularla derin uzay iletişimleri için.

Kuantum ışınlanma

Kuantum ışınlanma ile bir nesnenin A noktasından B noktasına maddi aktarımı gerçekleşmez; madde veya enerji değil, “bilgi” aktarımı vardır. Işınlanma, gizli bilgilerin aktarılması gibi kuantum iletişimleri için kullanılır. Bunun alışık olduğumuz biçimdeki bilgi olmadığını anlamalıyız. Kuantum ışınlanma modelini basitleştirerek kanalın her iki ucunda rastgele sayılar dizisi oluşturmamıza, yani müdahale edilemeyecek bir şifreleme pedi oluşturmamıza olanak tanıyacağını söyleyebiliriz. Öngörülebilir gelecekte kuantum ışınlanma kullanılarak yapılabilecek tek şey budur.

Dünyada ilk kez 1997 yılında foton ışınlanması gerçekleşti. Yirmi yıl sonra, fiber optik ağlar üzerinden onlarca kilometreye ışınlanma mümkün hale geldi (Avrupa'nın bir parçası olarak). kuantum kriptografisi rekor 144 kilometreydi). Teorik olarak şehirde bir kuantum ağı kurmak zaten mümkün. Ancak laboratuvar koşulları ile gerçek dünya koşulları arasında önemli bir fark vardır. Fiber optik kablo, kırılma indeksini değiştiren sıcaklık değişimlerine tabidir. Güneşe maruz kalma nedeniyle fotonun fazı değişebilir ve bu da bazı protokollerde hataya neden olur.

, Kuantum Kriptografi Laboratuvarı.

Rusya dahil dünyanın her yerinde deneyler yapılıyor. Birkaç yıl önce ülkenin ilk kuantum iletişim hattı ortaya çıktı. St. Petersburg'daki ITMO Üniversitesi'nin iki binasını birbirine bağladı. 2016 yılında Kazan Kuantum Merkezi KNITU-KAI ve ITMO Üniversitesi'nden bilim adamları, 2,5 kilometrelik bir hat üzerinde 117 kbit/s'lik elenmiş kuantum dizilerinin üretim hızına ulaşan ülkenin ilk çok düğümlü kuantum ağını başlattı.

Bu yıl ilk ticari iletişim hattı ortaya çıktı - Rus Kuantum Merkezi, Gazprombank'ın ofislerini 30 kilometre uzaklıkta birbirine bağladı.

Sonbaharda, Moskova Devlet Üniversitesi Kuantum Optik Teknolojileri Laboratuvarı ve İleri Araştırma Vakfı'ndan fizikçiler, Noginsk ile Pavlovsky Posad arasında 32 kilometre mesafede otomatik bir kuantum iletişim sistemini test ettiler.

Kuantum hesaplama ve veri aktarımı alanındaki projelerin yaratılma hızı dikkate alındığında, 5-10 yıl içinde (fizikçilerin kendilerine göre) kuantum iletişim teknolojisi nihayet laboratuvarlardan çıkacak ve mobil iletişim kadar yaygın hale gelecektir.

Olası dezavantajlar

İÇİNDE son yıllar konu giderek daha fazla tartışılıyor bilgi Güvenliği kuantum iletişimi alanında. Daha önce kuantum kriptografisi kullanılarak bilginin hiçbir koşulda ele geçirilemeyecek şekilde iletilmesinin mümkün olduğuna inanılıyordu. Kesinlikle güvenilir sistemlerin mevcut olmadığı ortaya çıktı: İsveçli fizikçiler, kuantum şifresinin hazırlanmasındaki bazı özellikler sayesinde belirli koşullar altında kuantum iletişim sistemlerinin hacklenebileceğini gösterdi. Buna ek olarak, Kaliforniya Üniversitesi'nden fizikçiler, aslında gözlemci ilkesini ihlal eden ve dolaylı verilerden kuantum sisteminin durumunun hesaplanmasına olanak tanıyan bir zayıf kuantum ölçümleri yöntemi önerdiler.

Ancak güvenlik açıklarının varlığı kuantum iletişimi fikrinden vazgeçmek için bir neden değil. Saldırganlar ve geliştiriciler (bilim adamları) arasındaki yarış temelde yeni bir seviyede devam edecek: yüksek bilgi işlem gücüne sahip ekipmanların kullanılması. Her hackerın bu tür ekipmanlara gücü yetmez. Ayrıca kuantum etkileri veri aktarımının hızlandırılmasını mümkün kılabilir. Dolaşmış fotonlar, polarizasyon yönü kullanılarak daha fazla kodlanırlarsa birim zamanda neredeyse iki kat daha fazla bilgi iletebilirler.

Kuantum iletişimi her derde deva olmasa da şimdilik en yaygın çözümlerden biri olmaya devam ediyor. umut verici yönler Küresel iletişimin gelişimi.

Telgraf güvercin postasını “öldürdü”. Telgrafın yerini radyo aldı. Radyo elbette hiçbir yerde ortadan kaybolmadı, ancak kablolu ve kablosuz diğer veri aktarım teknolojileri ortaya çıktı. Nesillerdir iletişim standartları çok hızlı bir şekilde birbirinin yerini alıyor: 10 yıl önce mobil İnternet bir lükstü ve şimdi 5G'nin gelişini bekliyoruz. Yakın gelecekte, modern teknolojilerden, radyo telgraflarının güvercinlere göre daha az üstün olmayacağı temelde yeni teknolojilere ihtiyacımız olacak.

Bunun ne olabileceği ve tüm mobil iletişimleri nasıl etkileyeceği kesinti altında.

Sanal gerçeklik, nesnelerin internetini kullanarak akıllı bir şehirde veri alışverişi yapmak, uydulardan ve güneş sisteminin diğer gezegenlerinde bulunan yerleşim yerlerinden bilgi almak ve tüm bu akışı korumak gibi sorunlar tek başına yeni bir iletişim standardı ile çözülemez.

Kuantum dolaşıklığı

Günümüzde kuantum iletişimleri örneğin özel güvenlik koşullarının gerekli olduğu bankacılık sektöründe kullanılmaktadır. Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum şirketleri zaten hazır kriptosistemler sunuyor. Güvenliği sağlamaya yönelik kuantum teknolojileri nükleer silahlarla karşılaştırılabilir - bu neredeyse mutlak korumadır, ancak ciddi uygulama maliyetleri anlamına gelir. Kuantum dolaşma kullanarak bir şifreleme anahtarı iletirseniz, o zaman onu ele geçirmek saldırganlara herhangi bir değerli bilgi vermez; çıktıda yalnızca farklı bir sayı dizisi alırlar çünkü harici bir gözlemcinin müdahale ettiği sistemin durumu değişir.

Yakın zamana kadar küresel mükemmel bir şifreleme sistemi oluşturmak mümkün değildi; yalnızca birkaç on kilometre sonra iletilen sinyal soldu. Bu mesafeyi artırmak için birçok girişimde bulunuldu. Bu yıl Çin, 7.000 kilometreden fazla mesafede kuantum anahtar dağıtım şemalarını uygulaması gereken QSS (Uzay Ölçeğinde Kuantum deneyleri) uydusunu fırlattı.

Uydu iki dolaşmış foton üretecek ve bunları Dünya'ya gönderecek. Her şey yolunda giderse, anahtarın dolaşık parçacıklar kullanılarak dağıtılması kuantum iletişim çağının başlangıcını işaret edecek. Bu tür düzinelerce uydu, yalnızca Dünya üzerinde yeni bir kuantum İnternetin değil, aynı zamanda uzaydaki kuantum iletişiminin de temelini oluşturabilir: Ay ve Mars'ta gelecekteki yerleşimler ve güneş sisteminin ötesine geçen uydularla derin uzay iletişimleri için.

Kuantum ışınlanma

Kuantum ışınlanma ile bir nesnenin A noktasından B noktasına maddi aktarımı gerçekleşmez; madde veya enerji değil, “bilgi” aktarımı vardır. Işınlanma, gizli bilgilerin aktarılması gibi kuantum iletişimleri için kullanılır. Bunun alışık olduğumuz biçimdeki bilgi olmadığını anlamalıyız. Kuantum ışınlanma modelini basitleştirerek kanalın her iki ucunda rastgele sayılar dizisi oluşturmamıza, yani müdahale edilemeyecek bir şifreleme pedi oluşturmamıza olanak tanıyacağını söyleyebiliriz. Öngörülebilir gelecekte kuantum ışınlanma kullanılarak yapılabilecek tek şey budur.

Dünyada ilk kez 1997 yılında foton ışınlanması gerçekleşti. Yirmi yıl sonra, fiber optik ağlar üzerinden onlarca kilometre boyunca ışınlanma mümkün hale geldi (kuantum kriptografi alanındaki Avrupa programı çerçevesinde rekor 144 kilometreydi). Teorik olarak şehirde bir kuantum ağı kurmak zaten mümkün. Ancak laboratuvar koşulları ile gerçek dünya koşulları arasında önemli bir fark vardır. Fiber optik kablo, kırılma indeksini değiştiren sıcaklık değişimlerine tabidir. Güneşe maruz kalma nedeniyle fotonun fazı değişebilir ve bu da bazı protokollerde hataya neden olur.

, Kuantum Kriptografi Laboratuvarı.

Rusya dahil dünyanın her yerinde deneyler yapılıyor. Birkaç yıl önce ülkenin ilk kuantum iletişim hattı ortaya çıktı. St. Petersburg'daki ITMO Üniversitesi'nin iki binasını birbirine bağladı. 2016 yılında Kazan Kuantum Merkezi KNITU-KAI ve ITMO Üniversitesi'nden bilim adamları, 2,5 kilometrelik bir hat üzerinde 117 kbit/s'lik elenmiş kuantum dizilerinin üretim hızına ulaşan ülkenin ilk çok düğümlü kuantum ağını başlattı.

Bu yıl ilk ticari iletişim hattı ortaya çıktı - Rus Kuantum Merkezi, Gazprombank'ın ofislerini 30 kilometre uzaklıkta birbirine bağladı.

Sonbaharda, Moskova Devlet Üniversitesi Kuantum Optik Teknolojileri Laboratuvarı ve İleri Araştırma Vakfı'ndan fizikçiler, Noginsk ile Pavlovsky Posad arasında 32 kilometre mesafede otomatik bir kuantum iletişim sistemini test ettiler.

Kuantum hesaplama ve veri aktarımı alanındaki projelerin yaratılma hızı dikkate alındığında, 5-10 yıl içinde (fizikçilerin kendilerine göre) kuantum iletişim teknolojisi nihayet laboratuvarlardan çıkacak ve mobil iletişim kadar yaygın hale gelecektir.

Olası dezavantajlar

Son yıllarda kuantum iletişimi alanında bilgi güvenliği konusu giderek daha fazla tartışılıyor. Daha önce kuantum kriptografisi kullanılarak bilginin hiçbir koşulda ele geçirilemeyecek şekilde iletilmesinin mümkün olduğuna inanılıyordu. Kesinlikle güvenilir sistemlerin mevcut olmadığı ortaya çıktı: İsveçli fizikçiler, kuantum şifresinin hazırlanmasındaki bazı özellikler sayesinde belirli koşullar altında kuantum iletişim sistemlerinin hacklenebileceğini gösterdi. Buna ek olarak, Kaliforniya Üniversitesi'nden fizikçiler, aslında gözlemci ilkesini ihlal eden ve dolaylı verilerden kuantum sisteminin durumunun hesaplanmasına olanak tanıyan bir zayıf kuantum ölçümleri yöntemi önerdiler.

Ancak güvenlik açıklarının varlığı kuantum iletişimi fikrinden vazgeçmek için bir neden değil. Saldırganlar ve geliştiriciler (bilim adamları) arasındaki yarış temelde yeni bir seviyede devam edecek: yüksek bilgi işlem gücüne sahip ekipmanların kullanılması. Her hackerın bu tür ekipmanlara gücü yetmez. Ayrıca kuantum etkileri veri aktarımının hızlandırılmasını mümkün kılabilir. Dolaşmış fotonlar, polarizasyon yönü kullanılarak daha fazla kodlanırlarsa birim zamanda neredeyse iki kat daha fazla bilgi iletebilirler.

Kuantum iletişimi her derde deva değil, ancak şimdilik küresel iletişimin gelişimi için en umut verici alanlardan biri olmaya devam ediyor.

Rus ve Çek-Slovak fizikçiler, bir amplifikatörden geçerken veya uzun bir mesafe üzerinden iletim yaparken fotonların kuantum dolaşıklığını korumak için bir yöntem önerdiler.

Kuantum dolaşması veya parçacıkların dolaşması, onların kuantum özellikleri arasındaki bağlantı olgusudur. Parçacıkların tek bir olayda ortaya çıkmasından veya etkileşimlerinden kaynaklanabilir. Bu bağlantı, parçacıklar uzun bir mesafeye dağılsa bile korunabilir, bu da onların yardımıyla bilgi iletilmesini mümkün kılar. Gerçek şu ki, bağlı parçacıklardan birinin kuantum özelliklerini ölçerseniz, ikincisinin özellikleri otomatik olarak bilinir hale gelir. Etkinin klasik fizikte hiçbir benzeri yoktur. 1970'lerde ve 80'lerde deneysel olarak kanıtlandı ve son birkaç on yılda aktif olarak araştırıldı. Gelecekte birçok şeyin temeli olabilir. Bilişim Teknolojileri gelecek.

D. Bell'in 1980 tarihli makalesinin taslağındaki çizim. Solda Fransızca "Bay Bertleman'ın Çorapları ve Gerçekliğin Doğası" yazıyor. Sol bacağın üstünde şöyle yazıyor: “pembe”, sağ bacağın üstünde: “pembe değil”.

Tokyo Üniversitesi'ndeki kuantum ışınlanma araştırma tesisi.

Kübitlerin kuantum ışınlanma sürecinin görselleştirilmesi. Solda bir verici, sağda ise dolaşmış fotonlar kullanılarak kubitlerin kuantum durumu hakkındaki bilgilerin iletildiği bir alıcı var.

Bu fenomen için günlük hayatta kullanılan komik bir benzetme, araştırmacılarından biri olan teorik fizikçi John Bell tarafından icat edildi. Meslektaşı Reinhold Bertlmann dalgınlıktan muzdaripti ve çoğu zaman işe çorapla geliyordu. farklı renk. Bu renkleri tahmin etmek imkansızdı ama Bell, Bertleman'ın sol ayağındaki pembe çorabı görmenin, sağ ayağında bile görmeden farklı renkte bir çorap olduğu sonucunu çıkarmak için şaka yaptığını söyledi.

Sorunlardan biri pratik kullanım Kuantum dolanıklık olgusu, parçacıklar dış dünyayla etkileşime girdiğinde iletişimin bozulmasıdır. Bu, sinyal güçlendirildiğinde veya uzun bir mesafeye iletildiğinde meydana gelebilir. Bu iki faktör aynı zamanda birlikte de hareket edebilir, çünkü bir sinyalin uzun mesafeye iletilmesi için güçlendirilmesi gerekir. Bu nedenle, fotonlar kilometrelerce optik fiberden geçtikten sonra çoğu durumda kuantum dolaşıklığı olmaktan çıkar ve sıradan, ilgisiz ışık kuantumlarına dönüşür. Kuantum hesaplama deneylerinde iletişim kesintisini önlemek için mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara kadar soğutmanın kullanılması gerekir.

Fizikçiler Sergei Filippov (MIPT ve Skolkovo'daki Rus Kuantum Merkezi) ve Mario Ziman (Brno, Çek Cumhuriyeti'ndeki Masaryk Üniversitesi ve Fizik Enstitüsü Bratislava, Slovakya'da) bir amplifikatörden geçerken veya tam tersi, uzun bir mesafe üzerinden iletim yaparken fotonların kuantum dolaşıklığını korumanın bir yolunu buldular. Dergi için bir makalede yayınlanan ayrıntılar (ayrıca ön baskıya bakın) Fiziksel İnceleme A.

Tekliflerinin özü, sinyalleri iletmek için belirli tip"koordinat gösterimindeki parçacıkların dalga fonksiyonunun Gauss dalga paketi biçiminde olmaması" gerekir. Bu durumda kuantum dolaşıklığın yok olma olasılığı çok daha düşük olur.

Dalga fonksiyonu kuantum mekaniğinin temel kavramlarından biridir. Bir kuantum sisteminin durumunu tanımlamak için kullanılır. Özellikle kuantum dolanıklık olgusu, aşağıdaki fikirlere dayanarak anlatılmaktadır: Genel durum Belirli bir dalga fonksiyonuna sahip bağlı parçacıklar. Kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumuna göre, koordinat gösteriminde bir kuantum nesnesinin dalga fonksiyonunun fiziksel anlamı, modülünün karesinin, nesnenin belirli bir noktada tespit edilme olasılığını belirlemesidir. Onun yardımıyla momentum, enerji veya başka şeyler hakkında da bilgi edinebilirsiniz. fiziksel miktar nesne.

Gauss fonksiyonu, yalnızca fizikte değil aynı zamanda sosyoloji ve ekonomi de dahil olmak üzere olasılıksal olaylarla ilgilenen diğer birçok bilim dalında da uygulama bulmuş en önemli matematiksel fonksiyonlardan biridir. istatistiksel yöntemler. Gözlemsel sonuçların matematiksel olarak işlenmesi sırasında doğadaki birçok süreç bu fonksiyona yol açmaktadır. Grafiği çan şeklinde bir eğriye benziyor.

Artık kuantum dolanıklık üzerine yapılan çoğu deneyde kullanılan sıradan fotonlar da bir Gauss fonksiyonuyla tanımlanmaktadır: noktanın koordinatlarına bağlı olarak belirli bir noktada bir foton bulma olasılığı çan şeklinde bir Gauss şekline sahiptir. Çalışmanın yazarlarının gösterdiği gibi, bu durumda sinyal çok güçlü olsa bile dolanıklığı uzağa göndermek mümkün olmayacaktır.

Dalga fonksiyonu farklı, Gaussian olmayan bir şekle sahip olan fotonların kullanılması, alıcıya ulaşan dolaşmış foton çiftlerinin sayısını önemli ölçüde artıracaktır. Ancak bu, sinyalin isteğe bağlı olarak opak bir ortamdan veya isteğe bağlı olarak büyük bir mesafe üzerinden iletilebileceği anlamına gelmez; eğer sinyal-gürültü oranı belirli bir kritik eşiğin altına düşerse, o zaman kuantum dolaşıklığın etkisi her durumda ortadan kalkar.

Fizikçiler, birbirlerinden birkaç yüz kilometre uzakta olan dolanık fotonların nasıl oluşturulacağını zaten öğrendiler ve bunlar için çok umut verici birçok uygulama buldular. Örneğin, bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için. Fotonik cihazların yüksek hızı ve düşük güç tüketimi nedeniyle bu yön umut verici görünüyor.

Diğer bir yön ise “kuantum dinlemenin” her zaman tespit edilebileceği iletişim hatları oluşturmayı mümkün kılan kuantum kriptografisidir. Bir nesnenin herhangi bir gözleminin onun üzerinde bir etki yarattığı gerçeğine dayanmaktadır. Ve bir kuantum nesnesini etkilemek her zaman onun durumunu değiştirir. Bu, bir mesajı ele geçirme girişiminin, alıcı tarafından hemen bilinecek olan karışıklığın ortadan kaldırılmasıyla sonuçlanması gerektiği anlamına gelir.

Ek olarak kuantum dolaşıklığı, kuantum ışınlanma olarak adlandırılan şeyin gerçekleştirilmesini mümkün kılar. Bilim kurgu filmlerindeki nesnelerin ve kişilerin ışınlanması (uzayda taşınması) ile karıştırılmamalıdır. Kuantum ışınlanma durumunda, mesafe boyunca iletilen şey nesnenin kendisi değil, onun kuantum durumuna ilişkin bilgidir. Mesele şu ki, tüm kuantum nesneler (fotonlar, temel parçacıklar) ve onlarla aynı türden atomlar kesinlikle aynıdır. Bu nedenle, eğer alım noktasındaki bir atom, iletim noktasındaki atomla aynı kuantum durumunu elde ederse, bu, alım noktasında atomun bir kopyasının yaratılmasına eşdeğerdir. Bir nesnenin tüm atomlarının kuantum durumunu aktarmak mümkün olsaydı, o zaman bunun ideal bir kopyası alıcı bölgede görünecektir. Bilgiyi aktarmak için, kuantum bilgisayarında bilgi depolamak için kullanılan en küçük öğeler olan kübitleri ışınlayabilirsiniz.

Deneysel kuantum fiziğinin son yıllardaki gelişimi ilginç sonuçlara yol açtı. Soyut fikirler yavaş yavaş bulunur pratik kullanım. Kuantum optiği alanında bu, her şeyden önce, uygulamaya en yakın teknoloji olan kuantum kriptografisine dayalı bir kuantum bilgisayarının ve telekomünikasyonun oluşturulmasıdır.

Modern optik iletişim hatları, milyonlarca foton fiber optik hatlar boyunca hareket ederek büyük ölçüde birbirini kopyaladığından ve bunların bir kısmı alıcı tarafından fark edilmeden ele geçirilebildiğinden, iletilen bilgilerin gizliliğini garanti etmez.

Kuantum kriptografisi, bilgi taşıyıcı olarak tekli fotonları kullanır, dolayısıyla eğer ele geçirilirlerse alıcıya ulaşamazlar ve bu da anında casusluğun gerçekleştiğine dair bir sinyal haline gelir.

Müdahaleyi gizlemek için casusun fotonun kuantum durumunu (polarizasyon veya faz) ölçmesi ve alıcıya bir "kopya" göndermesi gerekir. Ancak kuantum mekaniği yasalarına göre bu imkansızdır, çünkü yapılan herhangi bir ölçüm fotonun durumunu değiştirir, yani onun “klonunu” yaratmayı mümkün kılmaz.

Bu durum veri iletiminin tamamen gizliliğini garanti eder, dolayısıyla bu tür sistemler dünyada gizli servisler ve bankacılık ağları tarafından yavaş yavaş kullanılmaya başlanmaktadır.

İlk kuantum kriptografi protokolü, Amerikalı bilim adamları Charles Bennett ve Jill Brassard tarafından 1984 yılında icat edildi ve bu nedenle BB84 olarak adlandırıldı. Beş yıl sonra böyle bir sistem yarattılar. Araştırma Merkezi IBM, vericiyi ve alıcıyı ışık geçirmez bir kasaya, birbirinden yalnızca 30 cm uzaklıkta olacak şekilde yerleştiriyor. Sistem şuradan kontrol ediliyordu: kişisel bilgisayar ve gizli anahtarın kablosuz olarak (kablosuz) 10 bit/s hızında değiş tokuşuna izin verdi.

Çok yavaş ve çok yakın ama bu ilk adımdı.

BB84 protokolünün özü, fotonların polarizasyonla dört olası yönde iletilmesidir. İki yön dikey-yatay ve iki diyagonaldir (artı veya eksi 45 derecelik açılarda). Gönderici ve alıcı, örneğin artı 45 derecelik bir açıdaki dikey polarizasyon ve polarizasyonun mantıksal sıfıra, yatay polarizasyon ve eksi 45 derecenin ise bire karşılık geldiği konusunda hemfikirdir. Daha sonra gönderici, alıcıya bu yönlerden birinde rastgele polarize edilmiş bir dizi tekli foton gönderir ve alıcı, açık bir iletişim kanalı aracılığıyla, alınan ışınları hangi koordinat sisteminde (polarizasyonlar) ölçtüğünü bildirir, ancak sonuçları bildirmez. Yaptığı ölçümlerin sonucu. Her foton sıfır veya bir olabileceğinden, önleyici için bu açık bilgi kullanışsız. Gönderici, her fotonun koordinat sisteminin doğru olup olmadığını bildirir. Daha sonra kendileri için hazır bir ikili kod haline gelen eşleşen diziyi yazarlar - verilerin şifresini çözecek gizli anahtar. Artık tüm şifrelenmiş veriler açık ağlar üzerinden iletilebilir.

Buluş dünya çapında büyük ilgi uyandırdı.

Fotonların polarizasyon yoluyla kodlanması deneysel atmosferik iletişim bağlantılarında kullanılır, çünkü radyasyon atmosferde yayıldığında radyasyonun polarizasyonu biraz değişecektir ve güneş enerjisini veya güneş enerjisini baskılamak için Ay ışığı spektral, uzaysal ve zamansal filtreler kullanılır. 1992'deki ilk deneysel kurulumda verici ile alıcı arasındaki mesafe (kuantum kanalının uzunluğu) yalnızca 30 cm idi, 2001'de ise neredeyse 2 km'ydi. Bir yıl sonra, atmosferin etkin kalınlığını (10 km ve 23 km) aşan mesafelerde anahtar iletimi yurt dışında gösterildi. 2007 yılında anahtar 144 km'ye iletildi ve 2008'de uydudan gelen lazer darbesinden yansıyan tek foton sinyali Dünya'ya kaydedildi.

Tek foton üretmek için yarı iletken lazerlerden gelen yüksek oranda zayıflatılmış radyasyon kullanılır. Ancak Yarı İletken Fiziği Enstitüsü'nde geliştirilen kuantum noktaları üzerindeki tek foton yayıcılar olan tek foton kaynaklarını da kullanabilirsiniz. A. V. Rzhanova SB RAS. Bunlar yalnızca bir kuantum noktasından radyasyon yaymayı mümkün kılan yarı iletken yapılardır. İletim gizliliği, her lazer darbesinde birden fazla foton gerektirmediğinden, alıcı düğümün fotodetektörleri, yüksek gereksinimler. Yeterince yüksek bir kayıt olasılığına (%10'dan fazla), düşük gürültüye ve yüksek bir sayma oranına sahip olmalıdırlar.

Çığ fotodiyotları, elektrik darbelerinin yükseltilmesinde geleneksel olanlardan farklı olarak tek fotonlu dedektörler olarak hizmet edebilir: geleneksel fotodiyotlarda, gelen foton başına birden fazla elektron doğmaz ve çığ fotodiyotlarında binlerce - binlerce. Fotodiyottaki voltaj belirli bir eşiği aştığında ve bir foton buna çarptığında, yük taşıyıcılarında çığ gibi bir çoğalma meydana gelir. Eşiğin üzerindeki voltaj ne kadar yüksek olursa, bir fotonun kaydedilme olasılığı da o kadar artar, ancak aynı zamanda gürültü de o kadar güçlü olur.

Bu gürültüleri ortadan kaldırmak için onların (dedektörlerin) özel bir yarı iletken mikro buzdolabı ile eksi 50 santigrat dereceye kadar soğutulması gerekir.

Ancak yaklaşık 50 nm kalınlığındaki bir dizi nanotelden yapılmış süper iletken dedektörler de kullanılabilir. Bu tür yapılar iletkenlikten süperiletkenliğe geçiş rejimindedir. Bir fotonun bu dedektörden geçişi ve soğurulması, nanotelleri ısıtmak ve bunların içinden geçen akımı değiştirmek için yeterlidir. Gelen foton, akımdaki değişiklikle tespit edilir. Süper iletken dedektörler çığ fotodiyotlarından çok daha az gürültülüdür. Süperiletken dedektörlerle yapılan yabancı deneyler şunu göstermiştir: Maksimum mesafe kuantum anahtar iletimi - çığ fotodiyotları kullanıldığında 150 km'ye kıyasla 250 km. Süperiletken dedektörlerin seri kullanımı için ana sınırlayıcı faktör, bunların pahalı helyum kriyostatları kullanılarak derin soğutulmasına duyulan ihtiyaçtır.

Bilgi aktarımının menzili ve hızı, fiber optik iletişim hatlarının yetenekleri, dedektörlerin verimliliği ve gürültü seviyeleri ile sınırlıdır.

Optik fiber üzerinden kuantum kriptografi teknolojisini kullanan maksimum bilgi aktarımı aralığı yaklaşık 150 kilometredir, ancak bu mesafede iletim hızı yalnızca saniyede yaklaşık 10 bit ve elli kilometrede - saniyede yaklaşık 10 kbit olacaktır.

Bu nedenle kuantum iletişim hatları yalnızca hassas verilerin iletilmesi açısından yüksek değere sahiptir.

Fiber optik iletişim hatlarında kullanılırlar çeşitli yollar fotonların kuantum durumlarının kodlanması. İlk kriptosistemlerden bazıları, tıpkı BB84 protokolünde olduğu gibi, polarizasyon kodlaması temelinde çalışıyordu. Bununla birlikte, geleneksel optik fiberde fotonların polarizasyonu büyük ölçüde bozulur, bu nedenle faz kodlaması en popüler olanıdır.

Modern ticari kuantum fiber optik kriptosistemleri, iki geçişli optik tasarımı ve fotonların faz kodlamasını kullanır. Bu sistem ilk kez 2002 yılında İsviçreli bilim insanları tarafından kullanıldı. Onun şemasında, fotonlar bir kuantum kanalından (onlarca kilometre uzunluğunda bir optik fiber) iki kez geçer; ilk önce alıcıdan vericiye çok fotonlu bir lazer darbesi şeklinde ve daha sonra verici tarafında, alıcıdan yansıtılırlar. Faraday aynası adı verilen, tek foton seviyesine kadar zayıflatılan ve kuantum kanalı aracılığıyla alıcıya geri gönderilen. Bir Faraday aynası, manyetik bir alana yerleştirilen özel bir manyeto-optik camda Faraday etkisine (polarizasyonun dönüşü) bağlı olarak yansıyan fotonların polarizasyonunu (yönünü) 90 derece "döndürür". Ve alıcıya geri dönüş yolunda, kuantum kanalındaki fotonların tüm polarizasyonu ve faz bozulmaları ters değişikliklere uğrar, yani bunlar otomatik olarak telafi edilir. Teknoloji kuantum kanalı kurmayı gerektirmiyor ve standart fiber optik iletişim hatlarıyla çalışmanıza olanak tanıyor.

Bugün, Novosibirsk Yarı İletken Fiziği Enstitüsü'nde Rusya'da tam da böyle bir deneysel iletişim hattı oluşturuldu ve burada şu anda test ediliyor ve 25 km uzunluğunda bir kuantum kanalıyla ince ayar yapılıyor (uzunluğunun 100 km'ye çıkarılması planlanıyor) .

Oluşturulan sistemin özel bir özelliği, kurulumunu ve çalışmasını otomatik modda kontrol eden özel olarak tasarlanmış yüksek hızlı kontrolörlerin kullanılmasıdır. Dünyada bu sistemlerden sadece birkaçı geliştirildi ve bunların uygulanmasına yönelik teknoloji açıklanmadı, dolayısıyla kuantum iletişim hatlarını ülkemizde tanıtmanın tek yolu kendi yerli gelişimimizdir.

Hazırlayan: Maria Rogovaya (Novosibirsk))

Bu fenomenin kuantum mekaniği teorileri tarafından tanımlanmasına ve deneysel olarak kanıtlanmış olmasına rağmen, birçok bilim adamı buna şüpheyle yaklaşıyor. Bilim dünyasındaki bu bölünme, Albert Einstein ile Niels Bohr arasındaki tartışmadan bu yana meydana geldi. Einstein, kuantum dolaşıklığın fazlasıyla saçma bir fikir olduğunu ve gerçeklikle ve gözlemlerle hiçbir ilgisi olmadığını söyledi. Buna "hayalet etkileşimi" adını verdi ( ürkütücü eylem), çünkü bu teori onun ışık hızının karşı konulmazlığı hakkındaki açıklamasıyla çelişiyordu.

Bugün İsrailli bilim insanları, aynı anda var olmasalar bile kuantum bağlantısı olan bir çift foton yaratmanın mümkün olduğunu deneysel olarak kanıtladılar. Yani bunun yanında Muhteşem gerçek Böyle bir bağlantının çok uzak mesafelerde (en az 13,8 milyar ışıkyılı) bile çalışabilmesine bir zaman ayrımı da ekleniyor. İki parçacık arasındaki ilişkinin o kadar güçlü olduğu, hem zaman hem de uzay tarafından ayrılabilecekleri ve kuantum bağlantısının hala çalışacağı ortaya çıktı.

Foton olarak da bilinen (hem parçacık hem de dalga olan) bir ışık kuantumu polarize edilebilir ve aslında iki durumu alabilir: dikey ve yatay polarizasyon. Dolaşma, her biri yatay veya dikey olarak polarize olabilen eşleştirilmiş fotonlar olduğunda meydana gelir. Kuantum bağlantıları şu şekilde kendini gösterir: Bir fotonun durumunu ölçerseniz, çiftinin durumunun tam tersi olacağını güvenle söyleyebilirsiniz. Yani, özelliklerini bulabildiğimiz bir parçacık dikey olarak polarize ise, o zaman Evrenin en azından diğer ucunda bulunan eşleştirilmiş bir parçacık yatay olarak polarize olacaktır ve bunun tersi de geçerlidir.

Kuantum optik uzmanı Eli Megidish ve Kudüs İbrani Üniversitesi'nden meslektaşı Hagai Eisenberg, iki foton arasında aynı anda var olmayan bir kuantum bağlantısı oluşturdu.

Dolanıklık değişimi olarak bilinen bir planla başladılar ( dolaşma değişimi). Bunu yapmak için, iki çift foton üretmek üzere bir lazer ışınını özel bir kristale iki kez yönlendirdiler. Ortaya çıkan parçacıklar sayılarla belirlendi: çift 1 ve 2, çift 3 ve 4. Başlangıçta, parçacık 1 ve 4'ün kuantum bağlantısı yoktu, ancak bilim adamları foton 2 ve 3 arasında dolaşıklık tespit eder etmez ortaya çıkması gerekirdi.

Parçacıklardan birinin özelliklerinin "izdüşüm ölçümü", belirli bir durumunun ortaya çıkmasına ve ayrıca dikey ve yatay polarizasyonda olduğu gibi eşleştirilmiş parçacığın durumunda tersine bir değişikliğe neden olur. Dolayısıyla, foton 2 ve 3 başlangıçta dolaşık olmasa bile, ölçümler sonucunda fizikçiler bunlardan birine iki durumdan birini, "eşine" ise tam tersini verdi.

Herhangi bir ölçüm, bunlardan birini yok etse bile, foton dolaşıklığına neden olur. Dolayısıyla, yalnızca 2 ve 3 numaralı parçacıkların aynı durumda olduğu durumu düşünürsek, ölçümlerden sonra foton 1 ve 4'ün otomatik olarak dolaşık olduğu ortaya çıkar. Daha iyi anlaşılması için basit bir örnek verebiliriz: Dört halkalı bir zinciriniz varsa, dış halkalar bağlandığında ortadaki halkalar da bağlanır.

Eisenberg ve meslektaşları, aynı anda var olmayan foton 1 ve 4 arasında kuantum dolaşıklığı yaratmak için önce 1 ve 2 çiftindeki fotonları dolaştırdılar ve ardından foton 1'in polarizasyonunu olağan yöntemle ölçtüler. Daha sonra fizikçiler 3 ve 4 numaralı parçacıkları “bağladılar” ve “izdüşüm ölçümleri” yaptılar. Son aşama Araştırmacılar foton 4'ün polarizasyonunu ölçtüler. Bilim adamları, arXiv.org'daki makalenin ön baskısında, foton 1 ve 4'ün hiçbir zaman bir arada var olmamasına rağmen, aralarında kuantum dolaşıklığın hala ortaya çıktığını bildirdi.

Eisenberg, iki gözlemcinin birlikte hareket ettiği görelilik teorisi altında bile farklı hızlarda zaman içindeki olayların sırasını farklı algılarsa, hiçbiri deneyindeki 1. ve 4. parçacıkların aynı anda var olduğunu söyleyemez.

"Deneyimiz, kuantum dolaşıklığını bir tür gerçek olay olarak değerlendirmenin tamamen mantıklı olmadığını gösteriyor. fiziksel olay. İki foton hiçbir zaman aynı anda var olmadığı için aralarında herhangi bir zamanda bir bağlantı olduğunu söylemek mümkün değil” diyor Eisenberg.

Viyana Üniversitesi fizikçisi Anton Zeilinger, İsrailli meslektaşlarının deneyinin kuantum mekaniği kavramlarının ne kadar istikrarsız olduğunu bir kez daha kanıtladığına inanıyor. "Kuantum etkilerinin gözlemlediklerimizle çok az ortak yanı var" gerçek hayat her gün" diyor.

Yine de kuantum mekaniği alanındaki ilerleme, bildiğimiz şekliyle yaşamı kökten değiştirebilir. Örneğin Eisenberg ve meslektaşlarının araştırmasına göre birbirinden çok uzakta bulunan iki kullanıcı arasında kırılmaz gizli bir bağlantı oluşturmak mümkün olacak. "Kablonun" diğer ucundaki kullanıcının bilgi iletilirken beklemesine gerek kalmayacak: karşıt fotonun durumundaki bir değişiklik, anında çiftlerinde bir değişikliğe neden olacaktır. Zeilenger ayrıca bu tür deneylerin kuantum bilgisayarların yaratıcılarına teknolojiyi geliştirme konusunda ilham verebileceğini umuyor.