Запутанные частицы отличаются от обычных тем, что ряд их характеристик находятся в зависимости между собой. Например, спин фотона может принимать всего два значения: единица и минус единица. Квантовая механика утверждает, что если одновременно измерить спины запутанных частиц, то один всегда окажется единицей, а другой - минус единицей. При этом теория не накладывает ограничение на скорость взаимодействия частиц и не объясняет его механизмы.

Ученые проводили следующий опыт. В исследовательском центре в Женеве создавалась пара запутанных фотонов. Они разделялись, и по оптоволоконным кабелям отправлялись в деревни Сатиньи (Satigny) и Жюсси (Jussy), расположенные на расстоянии 18 километров друг от друга. Специалисты в Сатини и Юсси измеряли параметры "полученных" фотонов.

Согласно теории относительности, скорость любого процесса в природе не превосходит скорости света, и за время измерения фотоны не успевают повлиять друг на друга. Запутанные фотоны должны вести себя как независимые частицы, но многочисленные измерения показали, что параметры все равно остаются взаимосвязаны. Ученым удалось подсчитать, что скорость взаимодействия между частицами должна превышать скорость света в 100 тысяч раз.

Явление запутанности было известно еще во времена Эйнштейна. Он называл его "пугающим взаимодействием на расстоянии" (spooky action at distance) и считал основным препятствием всеобщей применимости теории относительности. За прошедшие годы выдвигалось множество гипотез, которые пытались объяснить запутанность. Многие ученые даже сомневались в том, что подобный эффект существует. Новые опыты однозначно доказывают существование квантовой запутанности, однако ничего не могут сказать о механизмах взаимодействия.

Согласно теории относительности, скорость любого процесса в природе не превосходит скорости света...

Работа над возможностью использования квантовых эффектов для шифрования информации ведётся уже давно и во многих странах.

Напомним, в квантовом мире характеристика объекта носит вероятностный характер – то есть не имеет конкретного значения, а "размазана" в пространстве волнообразно. В то же время запутанные частицы обладают взаимоисключающими характеристиками.

В силу принципа неопределённости ничего конкретного с помощью одной частицы передать нельзя, зато можно, используя запутанность, измерять количество и состояния удалённых друг от друга объектов.

Это открывает новые возможности в области защиты данных: попытка проникновения/прослушивания изменит взаимосвязанные параметры в квантовой системе – и ключ моментально изменится.

Проблема, однако, в том, что до сих пор послать запутанные фотоны (именно они используются в криптографических экспериментах) на большие расстояния не удавалось – они не очень охотно сохраняют квантовое состояние. В ряде случаев частицы разлетались и на 100 километров, но для этого использовались специальные мощные телескопы.


В локальных масштабах квантовое шифрование уже использовалось на практике – например, на выборах в городской совет Женевы в 2007 году (фото с сайта afif.ch).

"Длительная передача по оптоволоконному кабелю до сих пор была невозможной", — поясняет руководитель нового проекта Юао Чень (Yu-Ao Chen) из университета Гейдельберга (Universität Heidelberg).

Ему и его коллегам, как они считают, удалось найти решение проблемы расстояния. Они использовали старую проверенную технологию почтового тракта с промежуточными станциями, где можно поменять лошадей.

В роли лошади и почтовой станции учёные использовали два облака атомов рубидия: одно из них "заряжалось" отправителем, а другое служило "станцией".

Дело в том, что рубидий под воздействием внешнего источника может излучать фотоны, которые остаются "связанными" с материнским облаком. Если на следующей "станции" их измерить определённым образом, то материнские облака тоже запутываются. В квантовой физике это называется обмен состояниями (entanglement swapping).

Поскольку рубидий достаточно стабилен, информацию он не теряет и может "отправлять" зашифрованные данные дальше.

В ходе эксперимента была успешно осуществлена передача между двумя точками на дистанции 300 метров, но авторы проекта уверены, что цепочка из "почтовых станций" позволит делать это на любых расстояниях.