اپتیک و کوانتوم

پروفسور آرتور اکرت، پیشگام در زمینه و پدر رمزنگاری کوانتومی، از آوریل 2021 پروفسور (Adjunct) و رئیس واحد امنیت اطلاعات کوانتومی OIST بوده است، مصاحبه شده است. او با سابقه ای در ریاضیات کاربردی، برنامه ریزی نکرده بود که در فیزیک کار کند تا اینکه به طور تصادفی در یک کتابخانه به "سخنرانی های فاینمن در مورد فیزیک" رسید - پروفسور اکرت می گوید "من آن را خواندم و کاملاً گیر کردم!". با این اشتیاق تازه پیدا شده، او شروع به کار برای دکتری خود کرد. در دانشگاه آکسفورد، جایی که او همچنین با مربی خود دیوید دویچ، پیشگام محاسبات کوانتومی، ملاقات کرد. در همان زمان، او با مقاله تأثیرگذار دیگری در مورد درهم تنیدگی کوانتومی مواجه شد که توسط فیزیکدان معروف آلن اسپکت نوشته شده بود.

پروفسور اکرت می گوید: "من عمیقا تحت تاثیر قرار گرفتم - مقاله نشان داد که مکانیک کوانتومی ذاتاً غیرقابل پیش بینی است. این نقطه شروع من بود که فهمیدم می توان از آن برای ارتباطات ایمن استفاده کرد." اما قبل از این آزمایش‌های پیشگامانه اسپکت و همکارانش، بحث‌های شدیدی در مورد اینکه آیا آزمایش‌ها در مکانیک کوانتومی ذاتاً غیرقابل پیش‌بینی هستند یا خیر وجود داشت. در حالی که امکان پیش‌بینی آماری در مورد نتایج این آزمایش‌ها وجود داشت، اظهارات قطعی همیشه دور از دسترس باقی می‌ماند. پروفسور اکرت توضیح می دهد: اکنون سوال این بود که آیا ما با تصادفی بودن واقعی در مکانیک کوانتومی سروکار داریم یا فقط ناتوانی‌مان در پیش‌بینی نتایج است؟ معلوم شد که پاسخ به این سوال کلید توسعه رمزنگاری کوانتومی را نیز در اختیار دارد.

آیا تصادفی واقعی در جهان هستی وجود دارد؟

رویدادهای تصادفی را می توان به دو نوع مختلف طبقه بندی کرد که دانشمندان از آن به عنوان تصادفی عینی و ذهنی یاد می کنند. پروفسور اکرت توضیح می دهد: "به عنوان مثال، ممکن است چیزی برای شما تصادفی به نظر برسد، اما برای من نه، زیرا من اطلاعات بیشتری دارم که به من امکان می دهد رویداد را درک و پیش بینی کنم. اگر به این اطلاعات اضافی دسترسی نداشته باشید، رویداد برای شما تصادفی ظاهر می شود - این چیزی که ما آن را تصادفی ذهنی می نامیم". با کمال تعجب، مثال کلاسیک پرتاب سکه به دسته تصادفی ذهنی تعلق دارد. با دانش کافی در مورد شرایط اولیه، حرکت و ساختار سکه ها، گردش هوا در اتاق و موارد دیگر، نتیجه هر پرتاب سکه کاملا قابل پیش بینی خواهد بود. پروفسور اکرت می گوید: «تصادفی عینی از سوی دیگر رویدادی است که شما نمی توانید نتیجه آن را پیش بینی کنید، حتی اگر کاملاً همه چیز را در مورد آن بدانید.

اینکه آیا فیزیک کوانتومی دارای عناصری از این تصادفی بودن عینی است یا خیر، در قرن بیستم بین دانشمندان مورد بحث قرار گرفت و با مخالفت های بسیار برجسته ای از سوی آلبرت انیشتین مواجه شد. پروفسور اکرت می‌گوید: «او فکر می‌کرد که ما نمی‌توانیم نتایج آزمایش‌های مکانیک کوانتومی را پیش‌بینی کنیم، زیرا اطلاعات نداریم، نه به این دلیل که ذاتاً غیرقابل پیش‌بینی هستند». اگر این درست بود و می‌توانست آن اطلاعات گمشده را شناسایی کند، نتیجه آزمایش‌های مکانیک کوانتومی باید قابل پیش‌بینی می‌شد. پروفسور اکرت توضیح می دهد: «او این اطلاعات گمشده را متغیرهای پنهان نامید. این بحث نظری تقریباً 30 سال ادامه داشت، تا اینکه دانشمند جان بل با فرضیه ای قابل آزمایش که اکنون به نام نامساوی بل نیز از آن یاد می شود، ارائه شد. این آزمایش، در میان کاربردهای دیگر، پاسخ به این سوال را ممکن کرد که آیا رویدادهای کوانتومی واقعا تصادفی هستند یا خیر. این روش به طور خلاصه کار می کند. در طی یک آزمایش مناسب با استفاده از فوتون های درهم تنیده، پارامتر خاصی اندازه گیری می شود. اگر این پارامتر خارج از محدوده مورد انتظار باشد، نشان می‌دهد که رویدادهای سطح کوانتومی دارای یک جزء تصادفی عینی هستند، اما اگر در محدوده مورد انتظار قرار گیرد، ایرادات اینشتین صحیح است و متغیرهای پنهانی وجود دارد.

پروفسور اکرت می گوید: «مشکل این بود که وقتی بل کار خود را منتشر کرد، هنوز امکان انجام این آزمایشات بسیار پیچیده وجود نداشت. دهه 1970، زمانی که این آزمایش ها در نهایت امکان پذیر شد، جان کلازر جزو اولین کسانی بود که این آزمایش ها را انجام داد. پروفسور اکرت می‌گوید: «وقتی او اولین آزمایش‌ها را انجام می‌دهد، نقض نامساوی بل را مشاهده می‌کند که از این واقعیت پشتیبانی می‌کند که اساس آن طبیعت تصادفی است. اما با وجود فناوری محدود آن زمان، این یافته هیجان انگیز در ابتدا مقدماتی باقی ماند. در واقع تا اواخر دهه 90 به قطعیت در مورد این موضوع دست یافتیم. از جمله کارهای پیشگامانه آلن اسپکت، نیکلاس گیسین، رونالد هانسون، جیانوی پان و آنتون زایلینگر، در مورد ماهیت درهم تنیدگی کوانتومی و نامساوی‌های بل، کار بنیادی مکانیک کوانتومی را برای همیشه تایید کرد و نشان داد که تصادفی واقعی در رویدادهای کوانتومی وجود دارد.

در سال 2022، Clauser و Zeilinger جایزه نوبل را برای تلاش‌های تجربی پیشگام خود به اشتراک گذاشتند. پروفسور اکرت پس از یادگیری در مورد همه اینها در حین کار برای دکتری خود متوجه شد که تصادفی بودن می تواند برای ایجاد راهی برای ایجاد رمزگذاری نشکن استفاده شود. قبل از اینکه ارتباطات کوانتومی، ایمن شود، رمزنگاری امکان انتقال ایمن اطلاعات را فراهم کرده بود. "بیایید تصور کنیم که می خواهید اطلاعات را به طور ایمن به شخص دیگری منتقل کنید. در این صورت، هر دوی شما به چیزی به نام کلید رمزنگاری نیاز دارید - که یک دنباله کاملا تصادفی از یک ها و صفرها است. این کلید باید کاملاً مخفی بماند!" پروفسور اکرت می گوید. در حالی که کلید تصادفی است و بنابراین بی معنی است، اما بعداً به دارنده آن اجازه می دهد پیام ارسال شده را رمزگشایی کند. اما این روش سنتی رمزگذاری یک مانع امنیتی بزرگ دارد: مخفی نگه داشتن کلید. هر پیامی که ارسال می‌شود می‌تواند رمزگشایی شود و چگونه می‌توان اطمینان کامل داشت که کسی به کلیدهای مخفی دسترسی نداشته است؟

به طور کلاسیک، این مشکل با استفاده از خطوط محافظت شده برای ارتباط و از طریق کار متخصصان امنیت سایبری که ویژگی‌های ایمنی مختلف را برای محافظت از کلیدهای رمزگذاری پیاده‌سازی می‌کنند، برطرف شد. پروفسور اکرت خاطرنشان می کند: "اما می بینید، حتی با وجود بهترین امنیت، هرگز نمی توانید 100% مطمئن باشید که هیچ کس به آن دسترسی پیدا نکرده است." همه اینها زمانی تغییر کرد که آزمایشات روی نامساوی بل نشان داد که مکانیک کوانتومی دارای یک جزء تصادفی ذاتی است. پروفسور اکرت توضیح می دهد: "یک راه حل استفاده از کلیدهای کوانتومی است. این کلیدها با استفاده از فوتون های درهم تنیده تولید می شوند." این روش تولید یک کلید رمزنگاری با استفاده از قضیه بل امکان تشخیص اینکه آیا کسی دسترسی غیرمجاز داشته است یا خیر را فراهم می کند. پروفسور اکرت می گوید: "اگر کلید شما نامساوی های بل را نقض می کند، می توانید مطمئن باشید که هیچ کس به کلید شما دسترسی نداشته است." با این کار، او یک راه کاملاً جدید برای ایمن سازی ارتباطات را کشف کرده بود: رمزنگاری کوانتومی.

این روش رمزگذاری اکنون بیش از هر زمان دیگری مهم است، زیرا پیشرفت در توسعه رایانه‌های کوانتومی، رمزگذاری کلاسیک را ایمن‌تر می‌کند - مشکلی برای داده‌های حساس، برای مثال در بخش پزشکی یا مالی. در اینجا رمزنگاری کوانتومی راهی برای اطمینان از حفاظت ارائه می دهد، اما به احتمال زیاد به استانداردی برای همه ارتباطات تبدیل نخواهد شد. پروفسور اکرت می گوید: "رمزگذاری کوانتومی به طور کامل جایگزین روش های کلاسیک نخواهد شد، زیرا همیشه نیاز به امنیت کامل وجود ندارد. لازم نیست هر خودرویی مطابق با استانداردهای فرمول یک باشد - برای رمزگذاری نیز یکسان است." با این وجود، توسعه استراتژی‌های امنیت سایبری مدرن که با دنیای فناوری پیچیده امروزی همگام باشد، یک چالش کلیدی برای علم و جامعه است.

https://phys.org/news/2024-05-entangled-particles-unbreakable-encryption.html