Întrepătrunderea cuantică face comunicarea cuantică și mai sigură

Comunicarea invizibilă tocmai a devenit mai sigură, datorită încurcăturii cuantice.

Fizica cuantică oferă o modalitate de a împărtăși informații secrete care este dovedită matematic a fi în siguranță față de ochii curioși ai spionilor. Dar până acum, demonstrațiile tehnicii, numită distribuție cuantică a cheilor, se bazau pe o presupunere: Dispozitivele folosite pentru a crea și măsura particulele cuantice trebuie să fie cunoscute ca fiind fără cusur. Defectele ascunse ar putea permite unui spion furișat să pătrundă în securitate fără să fie observat.

Acum, trei echipe de cercetători au demonstrat capacitatea de a realiza o comunicare cuantică sigură fără confirmarea prealabilă a faptului că dispozitivele sunt infailibile. Numită distribuție de chei cuantice independentă de dispozitiv, metoda se bazează pe entanglementul cuantic, o relație misterioasă între particule care leagă proprietățile lor chiar și atunci când sunt separate pe distanțe mari.

În comunicarea de zi cu zi, cum ar fi transmiterea numerelor de carduri de credit pe internet, se folosește un cod secret, sau o cheie, pentru a distorsiona informațiile, astfel încât acestea să poată fi citite doar de o altă persoană care deține cheia. Dar există o dilemă: cum pot un expeditor și un destinatar aflați la distanță să își împărtășească unul altuia această cheie, asigurându-se în același timp că nimeni altcineva nu a interceptat-o pe parcurs?

Fizica cuantică oferă o modalitate de a partaja chei prin transmiterea unei serii de particule cuantice, cum ar fi particulele de lumină numite fotoni, și efectuarea de măsurători asupra lor. Prin compararea notelor, utilizatorii pot fi siguri că nimeni altcineva nu a interceptat cheia. Aceste chei secrete, odată stabilite, pot fi apoi folosite pentru a cripta informațiile sensibile (SN: 12/13/17). Prin comparație, securitatea standard a internetului se bazează pe o fundație relativ șubredă de probleme matematice dificil de rezolvat de către calculatoarele actuale, care ar putea fi vulnerabilă la noile tehnologii, și anume calculatoarele cuantice (SN: 6/29/17).

Dar comunicarea cuantică are de obicei o capcană. „Nu poate exista nicio defecțiune neprevăzută”, spune fizicianul cuantic Valerio Scarani de la Universitatea Națională din Singapore. De exemplu, spune el, imaginați-vă că dispozitivul dumneavoastră ar trebui să emită un singur foton, dar, fără ca dumneavoastră să știți, emite doi fotoni. Orice astfel de defecte ar însemna că dovada matematică a securității nu mai ține. Un hacker ar putea afla cheia ta secretă, chiar dacă transmisia pare sigură.

Distribuția de chei cuantice independentă de dispozitiv poate exclude astfel de defecte. Metoda se bazează pe o tehnică cuantică cunoscută sub numele de testul Bell, care implică măsurători ale particulelor încurcate. Astfel de teste pot dovedi că mecanica cuantică are într-adevăr proprietăți „fantomatice”, și anume nonlocalitatea, ideea că măsurătorile unei particule pot fi corelate cu cele ale unei particule îndepărtate. În 2015, cercetătorii au efectuat primele teste Bell „fără buclucuri”, care au certificat dincolo de orice îndoială că natura contraintuitivă a fizicii cuantice este reală (SN: 12/15/15).

„Testul Bell acționează practic ca o garanție”, spune Jean-Daniel Bancal de la CEA Saclay din Franța. Un dispozitiv defect nu ar trece testul, așa că „putem deduce că dispozitivul funcționează corect”.

În studiul lor, Bancal și colegii au folosit atomi de stronțiu încurcați, încărcați electric, separați de aproximativ doi metri. Măsurătorile acelor ioni au certificat că dispozitivele lor se comportau corect, iar cercetătorii au generat o cheie secretă, raportează echipa în revista din 28 iulie Nature.

În mod obișnuit, comunicarea cuantică este destinată expedierilor pe distanțe lungi. (Pentru a împărtăși un secret cu cineva aflat la doi metri distanță, ar fi mai ușor să traversezi pur și simplu camera). Așadar, Scarani și colegii săi au studiat atomi de rubidiu încurcați la 400 de metri distanță. Configurația avea ceea ce era necesar pentru a produce o cheie secretă, raportează cercetătorii în același număr al revistei Nature. Dar echipa nu a urmărit procesul până la capăt: Distanța suplimentară a însemnat că producerea unei chei ar fi durat luni de zile.

În cel de-al treilea studiu, publicat în revista 29 iulie Physical Review Letters, cercetătorii au încurcat fotoni încurcați mai degrabă decât atomi sau ioni. Fizicianul Wen-Zhao Liu de la Universitatea de Știință și Tehnologie a Chinei din Hefei și colegii săi au demonstrat, de asemenea, capacitatea de a genera chei, la distanțe de până la 220 de metri. Acest lucru este deosebit de dificil de realizat cu ajutorul fotonilor, spune Liu, deoarece fotonii sunt adesea pierduți în procesul de transmisie și detecție.

Testele Bell fără lacune nu sunt deja un lucru ușor, iar aceste tehnici sunt și mai dificile, spune fizicianul Krister Shalm de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din Boulder, Colo. „Cerințele pentru acest experiment sunt atât de absurd de ridicate încât este pur și simplu o realizare impresionantă să poți demonstra unele dintre aceste capacități”, spune Shalm, care a scris o perspectivă în același număr al revistei Nature.

Acest lucru înseamnă că tehnica nu va fi folosită în practică prea curând, spune fizicianul Nicolas Gisin de la Universitatea din Geneva, care nu a fost implicat în cercetare.

Cu toate acestea, distribuția de chei cuantice independentă de dispozitiv este „o idee absolut fascinantă”, spune Gisin. Testele Bell au fost concepute pentru a răspunde la o întrebare filosofică despre natura realității – dacă fizica cuantică este într-adevăr atât de ciudată pe cât pare. „Să vezi că acest lucru devine acum un instrument care permite altceva”, spune el, „aceasta este frumusețea”.