Квантовая случайность

Суть прикладной физики в том, чтобы достичь такой степени понимания какого-то аспекта, чтобы можно было упростить схему и сделать ее экономически жизнеспособной. Алиса и Боб с их компьютерами, разделенными достаточным пространственно-подобным интервалом, чтобы исключить их влияние друг на друга даже со скоростью света, но при этом выигрывающие в игру Белла, – это слишком сложный сценарий для коммерческого применения. Если рассматривать Алису отдельно, то мы увидим, что она получает поток фотонов, проходящий через полупрозрачное зеркало, прежде чем попасть на два детектора фотонов. Того факта, что фотоны запутаны и что Боб на своем конце провода нацелен на победу и действует таким же образом, достаточно, чтобы гарантировать истинную случайность в основе результата Алисы, и в итоге нам понадобится только этот результат. Таким образом, достаточно лишь, чтобы Боб был возможен в виртуальном смысле, а для прикладного использования мы можем про него забыть. Как только мы сделали этот шаг, запутанность перестает быть необходимой. Достаточно знать, что фотон Алисы принципиально может быть запутан, но на практике в этом нет надобности. Наконец, вместо одного фотона Алиса может использовать лазер с очень низкой интенсивностью излучения – так, что почти никогда не существует более одного фотона. Такова основа для большинства коммерчески доступных квантовых генераторов случайных чисел.

Рис. 7.1 показывает квантовый генератор случайных чисел, предлагаемый женевской компанией ID Quantique SA[47]. Кто-то может подумать, что он устроен слишком просто. Куда делись нелокальные корреляции? Этот генератор не использует их впрямую, но одна лишь возможность использовать фотоны того же типа, светоделители и детекторы для производства нелокальных корреляций гарантирует, что полученные результаты истинно случайны.

Кто-то может недоверчиво спросить, а откуда уверенность, что мы располагаем тем же типом светоделителей и детекторов, – и он будет совершенно прав. Для того чтобы сделать генератор случайных чисел коммерчески жизнеспособным, нам пришлось принять гипотезу о том, что все устройства надежны. Такое допущение является очень частым, и оно тщательно проверено. Существует элегантный способ обойти эту проблему, но тогда нам придется вернуться к схеме игры Белла и отказаться от всех упрощений, перечисленных выше. Такие эксперименты проводились, но исключительно в лаборатории[48].

Квантовая криптография: идея

Вторая область применения – это квантовая криптография. Мы уже знаем, что если два объекта запутаны, то одно и то же измерение в отношении их обоих всегда дает одинаковый результат. На первый взгляд непонятно, как это может пригодиться, особенно если эти идентичные результаты произведены совершенно случайно. Однако для криптографа это явление представляет глубокий интерес. Люди информационного века постоянно обмениваются огромным количеством информации, большая часть которой должна оставаться конфиденциальной. Для этого перед отправкой получателю информация шифруется. Это означает, что в глазах третьего лица закодированная информация выглядит как длинный бессмысленный набор символов без определенной структуры и значения. В долгосрочной перспективе, однако, необходимо периодически менять код, и в идеале – делать это для каждого нового сообщения, что создает проблему обмена ключами кодирования. Эти ключи должны быть известны и отправителю, и получателю, и никому кроме них. Можно, конечно, представить себе флотилии бронированных такси, колесящих по миру, чтобы доставить эти ключи пользователям, но, может быть, есть способ попроще?

Сегодня некоторые правительства и крупные компании действительно отправляют человека с кейсом, пристегнутым к запястью, к своим партнерам, с которыми они считают совершенно необходимым вести переписку в чрезвычайно конфиденциальном режиме. Однако нас, простых смертных, вполне устраивает более практичная система, к примеру для покупок в Интернете, где защита основана на математической теории сложности. Эта система шифрования называется криптографией с открытым ключом. Идея заключается в том, что некоторые математические операции, в частности перемножение двух простых чисел, очень просто выполнить на компьютере, но крайне непросто выполнить обратную операцию. В данном случае необходимо разложить результат на множители, то есть найти по произведению два исходных простых числа. Это достаточно долгий процесс даже для мощного компьютера.