Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

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.