м людям, находящимся далеко друг от друга, сгенерировать два списка совершенно случайных чисел, при этом они будут абсолютно коррелировать друг с другом. Это как раз то, что нужно для шифровки и расшифровки секретных посланий.
Еще одна хитрость, основанная на экспериментах типа теста Белла, позволяют нашим секретным физикам исключить возможность подслушивания за счет переключения между различными настройками детекторов при измерении их разделяемых совместно частиц. Алиса и Боб совместно обладают большим количеством пар запутанных частиц (о которых мы будем продолжать говорить, как будто это спины электронов), и по мере продвижения вперед по списку они делают случайный выбор, делать ли измерение верх-низ или лево-право. После того, как они сделали все измерения, Алиса открыто показывает Бобу список того, какие измерения она делала для каждого спина – не для значений, а просто было это измерение верх-низ или лево-право. Примерно половину времени Боб будет делать такие же измерения, и их результаты должны быть полностью коррелированы: где у Алисы получилась 1, у Боба получился 0, и наоборот. Если Боб скажет Алисе, какие измерения были одинаковыми – не результат, просто для каких пар были одинаковые настройки у детектора – они получат набор совершенно коррелированных случайных чисел. Если Алиса находит 1 в этой половине данных, то она может сделать вывод, что у Боба там 0, и наоборот. Они могут использовать эти позиции, чтобы создать ключ, который им нужен для шифрования своих посланий.
Случайное переключение между измерениями замедляет скорость, с какой они генерируют биты для своих ключей, но экранирует возможную прослушку. Чтобы получить хотя бы какой-то шанс выкрасть ключ, супервраг Алисы, Ева, должна перехватить одну из запутанных частиц и сделать свои собственные измерения ее состояния перед тем, как переслать Бобу частицу вместо нее. Причем эта частица должна быть в определенном состоянии, отвечающем результатам ее измерений: если она измеряет спин-вверх и получает результат 1, она подготавливает новую частицу в состоянии 1 и посылает ее Бобу. Однако, поскольку Ева не имеет возможности знать, какое измерение будет сделано, она должна выбирать настройки своего детектора тоже случайным образом, и это неизбежно привнесет ошибки. Если Ева сделает измерение верх-низ, когда Алиса и Боб измеряли левоправо, тогда с 50-процентной вероятностью у них получатся две единицы вместо пары 1–0, которую они ожидали.
Попытка Евы перехватить ключ будет вносить ошибки, это означает, что попытка дешифровать послание создаст какие-то бессмысленные символы. Более важно то, что это позволит Алисе и Бобу обнаружить присутствие Евы, они могут измерить гораздо больше пар, чем им нужно для ключа, и затем выбрать некоторые случайные секции из этого списка для проверки, показав друг другу, не какие измерения были сделаны, но каков результат измерений. Если Алиса и Боб обнаружат слишком много случаев, когда корреляция неполная, они будут знать, что Ева старается перехватить их ключ, и могут принять меры для устранения этой угрозы.
Иллюстрация генерирования квантового ключа. Алиса и Боб разделяют запутанные спины, и каждый из них случайным образом решает, будет он измерять спин вверх/спин вниз или спин влево/спин вправо. Когда их выбор измерения совпадает (затененные квадратики), 0 для Алисы означает 1 для Боба, и наоборот. Если они поделятся информацией, какие измерения они делали для каждого спина, и оставят только результаты для спинов, когда они делали одни и те же измерения, то получат связанные между собой списки случайных чисел, какие они могут использовать как криптографический ключ.
На практике, конечно, есть много технических деталей, которые усложняют основной процесс. Квантовые криптографические системы в реальном мире используют поляризованные фотоны в качестве своих запутанных квантовых частиц, и надежно переслать и обнаружить единственный фотон может быть весьма непростой задачей.
Однако это было областью активных исследований с момента первых открытий в 1984 году, и происходит постепенный прогресс. Распределение квантовых ключей с использованием поляризованных фотонов, посылаемых через оптоволокно, было продемонстрировано на расстояниях в несколько сотен километров, и надежность этого процесса позволила создать доступные коммерческие системы.
Китайская команда, упомянутая ранее в главе, также продемонстрировала распределение квантовых ключей между находящейся на Земле лабораторией и спутником на орбите. Осенью 2017 года они провели этот первый «защищенный квантовой шифрацией» международный разговор между Китаем и Австрией через китайский спутник (названный «Микиус[280]» по латинизированному имени китайского ученого V века до нашей эры). По мере прохождения Микиуса над лабораторией в Пекине, они направили лазерные импульсы на спутник для генерации ключа. Через небольшое время, когда спутник проходил над Веной, они повторили этот процесс в венской лаборатории. Получившийся в результате совместный ключ потом использовался для кодировки и декодирования видеосвязи между двумя городами, чтобы открыть конференцию по квантовым исследованиям видеозвонком между Бай Чуньли, президентом Китайской академии наук, и Антоном Цайлингером, президентом Австрийской академии наук.
Пока еще системы квантового распределения ключей не используются широко, но нетрудно представить, учитывая все возрастающую важность онлайн-торговли, что банки и розница однажды будут пользоваться квантовой запутанностью для защиты своих покупок. Конечно, это не гарантирует полную безопасность, есть ведь также и исследовательские группы, которые изучают «квантовый хакинг», изучая хитрости, с помощью них будущие перехватчики информации смогут замаскировать себя и похищать квантовые ключи. Квантовая механика не остановит гонку вооружений между теми, кто стремится сохранить секреты, и теми, кто стремится их украсть; это будет лишь перенос битвы на новую территорию.
Блистательная ошибка
Что Эйнштейн отвернулся от квантовой физики после своей ведущей роли в ее изобретении, долгое время считалось неудачным моментом в его блистательной карьере. Абрахам Пайс[281] в своей магистерской научной биографии Эйнштейна, начинавшейся словами «Неуловим Господь…», лишь слегка затрагивает ЭПР статью, рассматривая ее как краткий и неудачный эпизод из поздних лет карьеры Эйнштейна.
Ирония в том, что книга Пайса была опубликована в 1982 году, именно в том году, когда третий эксперимент Алена Аспе с использованием запутанных фотонов был опубликован, что рассматривается всеми как одна из лучших реализаций сценария ЭПР. Этот эксперимент показал весьма убедительно, благодаря работе Джона Белла, что квантовые запутанные частицы связаны таким образом, что он просто не может быть объяснен теориями типа скрытых локальных переменных, которые бы удовлетворили Эйнштейна. С того времени значение статьи ЭПР невероятно выросло. Анализ 2005 года показал, что статья ЭПР цитировалась всего 36 раз до 1980 года, но 456 раз между 1980-м и 2005-м. В конце 2017 года онлайн-статьи цитировали ее более чем 5900 раз.
В конце концов представленные Эйнштейном, Подольским и Розеном аргументы оказались неверными, но нетривиальными. В действительности, это была блистательная ошибка, она пролила свет на странный и тревожащий аспект квантовой физики, который ранее не рассматривался. Выяснение, как и почему такой очевидный подход с точки зрения здравого смысла к физике терпит неудачу, породило огромный прогресс как в философии физики, так и в технологии, которая использовалась для исследования фундаментальной странности квантовой запутанности.
В этом смысле статья ЭПР не является неудачным моментом в карьере Эйнштейна и в квантовой физике, но подходящим для нее окончанием. Он помог запустить это направление в 1905 году смелым заявлением, что свет может быть частицей, и впечатляющее введение запутанности тридцатью годами позже было таким же смелым ударом, хотя и в противоположном направлении. Каждая из этих статей своим собственным путем трансформировала наше понимание Вселенной, показывая глубокую странность, какая существует в основании нашей обычной, повседневной реальности.
Заключение
Мы начали книгу с наблюдения того, что большинство людей связывают с физикой экстремальных и экзотических явлений: странных частиц, которые ведут мимолетное существование в гигантских ускорителях частиц; неожиданное создание материи и самого пространства-времени в Большом взрыве; загадочной судьбе гигантских звезд, что коллапсируют, создавая черные дыры. Они происходят в масштабах, воспламеняющих воображение с такими результатами, какими отрицают наше повседневное понимание, как должен быть устроен мир.
Мы увидели в этой книге те же физические принципы, что действуют в этих экстраординарных сценариях, но они влияют и на нашу обычную, повседневную жизнь, начиная с подъема с кровати и приготовления завтрака перед уходом на работу. Даже основной факт нашего существования как стабильных твердых объектов требует квантовой теории для своего объяснения: если бы не спины электронов и принцип запрета Паули, любая попытка создать макроскопический объект заканчивалась бы катастрофическим обрушением материи внутрь себя самой. Все, что мы делаем, независимо от того, насколько это тривиально и обыденно, в конце концов берет свое начало в квантовой физике.
Я надеюсь, что эта книга сделала понятным, что эта связь двухсторонняя: экзотическая квантовая физика, в конце концов, скрыта в весьма обыденных явлениях, влияющих на поведение повседневных предметов. Все это началось с обманчиво простого вопроса: «Почему горячие предметы светятся именно таким цветом?» Изменение света, исходящего от нагретого предмета, настолько обычно, будь это электрический тостер, накаленная лампочка или само Солнце, и мы почти забываем, что это явление вообще требует объяснения. Благодаря любопытству спектроскопистов XIX века, которые решили тщательно изучить цвет, и смелому и отважному трюку Макса Планка, мы были выведены на путь к самым странным и наиболее влиятельным теориям в физике.