جهان كوانتومي - بخش چهارم: جاسوسي كوانتومي

جاسوسي كوانتومي

اگر ميتوانستيد با ارتباطهاي شبح گون بين دو ذره ، يك پيام آني بفرستيد ، در آنصورت باطل نماي EPR نه تنها گيج كننده ، بلكه هراس انگيز نيز مي نمود . اگر ميشد به طريقي نتيجه اندازه گيري سمت خود را برآورد كنيم ، در آنصورت بدليل آگاه بودن ار چگونگي درهم تنيدگي دو ذره ، ميشد نتيجه فرآيند سمت ديگر ذا همزمان طراحي كرد . به اين ترتيب ارتباط شبح گون به شما اجازه ميدهد تا بلافاصله پيامي براي شخصي كه چندين سال نوري دورتر از شما قرار دارد بفرستيد.

اما اين برداشت ، مشكلات بزرگي در نظريه نسبيت پيش مي آورد ؛ زيرا اين نظريه ، حركت هر علامت معني داري با سرعتي بيش از نور را به شدت منع ميكند.
اما براي انيشتن جاي نگراني نيست . اين ترفند به هيچ وجه كارايي ندارد ، زيرا نتيجه اندازه گيري همواره پنجاه – پنجاه است . شما حتي ب آنچه كه در سمت خودتان اندازه گيري ميكنيد هيچ اشرافي نداريد ، چه رسد به سمت ديگر!
ولي اين هنوز پايان ماجرا نيست . درست است كه شما نميتوانيد از ارتباط شبح گون براي گذشتن از سرعت نور استفاده كنيد اما در عوض ميتوان از آن براي ارسال پيام هاي رمزي كاملا مطمئن استفاده كرد . علاوه بر اين ، نظريه كوانتومي اجازه ميدهد تا بدانيد كه آيا جاسوسي در تلاش دستكاري پيام شما هست يا نه.
رياضيدانان علائم رمزي مختلفي را طراحي كرده اند كه هر يك از آنها با "كليد" ويژه اي گشوده ميشود . كليد ، عددي است كه تنها شخص فرستنده و گيرنده پيام از آن اطلاع دارند . چگونگي كاركرد آن بدين شرح است كه فرستنده ، پيام نوشته شده اي را به مجموعه اي از رقمهاي دوتايي تبديل ميكند و سپس با استفاده از كليد ، يك تبديل رياضي را بر آن اعمال خواهد كرد تا رقمها را در هم بريزد . گرنده پس از دريافت علامتهاي در هم ريخته و با استفاده از كليد ، آن تبديل رياضي را وارون ميكند ؛ وبه اين سادگي پيام اصلي بازسازي ميشود.
اما اين روش نقطه ضعفي دارد . هر دو طرف بايد از كليد واحدي استفاده كنند و سپس آنرا كاملا محفوظ نگه دارند . از طرف ديگر ، كليد ميتواند از تعدادي اعداد كتره اي (Random) تشكيل شده باشد كه براي ساختن آن ميتوان از نظريه كوانتومي استفاده كرد . براي مبادله پيامهاي رمز ، آليس و باب بايد نخست دستگاهي بسازند كه مجموعه جفت فوتونهايي را پرتاب كند كه همسان قطبيده شده باشند . از هر جفت ، يك فوتون به سمت آليس و ديگري به سمت باب ميرود . براي آشكارسازي فوتونها ، آليس و باب هريك از صافي خود كه قائم قطبيده شده است استفاده ميكنند . اگر آليس فوتوني را ببيند كه از صافي اش گذشته است ، آنگاه پي خواهد برد كه از صافي باب نيز فوتون همساني گذشته است و چنانچه آليس فوتوني را نبيند باب نيز نخواهد ديد . اگر ديدن فوتون را با "1" و نديدن آنرا با "0" نشان دهيم ، هم آليس و هم باب رشته اي يكسان از اعداد دوتايي را ثبت خواهند كرد و اين رشته ، كليدي خواهد بود براي رمزگشايي پيامها.
اكنون فرض كنيد جاسوسي از قصد آليس و باب آگاهي داشته باشد و صافي خود را كه بطور قائم قطبيده شده است ، در مسيري كه به آشكارساز آليس ميرسد قرار دهد . جاسوس استراق سمع كننده ، اطلاعات در حال رفتن به سمت آليس را مي ربايد و به اين ترتيب به كليد دست مي يابد . اين جاسوس براي اينكه پي به وجودش نبرند ، به ازاي هر فوتون كه از صافي اش ميگذرد ، فوتوني كاملا مشابه كه قائم قطبيده شده است براي آليس ميفرستد و آليس آنرا كاملا طبيعي ميبيند و ثبت ميكند . اگر هيچ فوتوني از صافي جاسوسي نگذرد ، او نيز فوتوني براي آليس نمي فرستد و بنابراين آليس فوتوني دريافت نميكند . نتيجه چنين ترفندي براي فرستادن پيام اين است كه جاسوس ميتواند سر راه فوتونها قرارگيرد و كليد را بدست آورد بدون اينكه آليس و باب بدانند كه امنيت پيام آنها از بين رفته است.
اما با يك روش كمي پيچيده تر ، آليس و باب ميتوانند كليدي بسازند كه نه تنها كتره اي است بلكه ايمن از دسترسي ديگران است . اگر كسي بخواهد با زيركي كامل فوتونهاي آليس و باب را بربايد آنها براحتي مطلع خواهند شد . اين بار قهرمانان ما صافي هاي قطبنده اي را انتخاب ميكنند كه ميتوان آنها را هم بصورت قائم و هم با زاويه 45 درجه قرار داد . هر زمان كه فوتوني مي آيد آليس و باب ميتوانند صافيهاي خود را به يكي از حالتهاي تصادفي يادشده قرار دهند . اگر هر دو صافي به مانند هم قرار داده شوند ، كه احتمال آن پنجاه درصد است ، رخداد همانند قبل خواهد بود ، يعني اگر يكي از آنها فوتوني را ببيند ، ديگري نيز خواهد ديد.
اما اگر صافيها با زاويه 45 درجه نسبت به يكديگر قرار گيرند چه اتفاقي خواهد افتاد؟ فرض كنيد صافي آليس قائم است و او يك فوتون را ميبيند . در اينصورت فوتون باب نيز بايد بصورت قائم قطبيده شده باشد . اما اگر اين فوتونها با يك صافي با زاويه 45 درجه روبرو شود ، چه پيش خواهد آمد؟ از ديدگاه كلاسيكي در چنين وضعيتي شدت پرتو نوري كه قائم تابيده شده است نصف خواهد شد . به زبان كوانتومي ، هر فوتون موجود در پرتو نور ، براي گذشتن از صافي شانس پنجاه – پنجاه دارد . بنابراين شايد باب فوتون قائم قطبيده را دريافت كند و يا شايد اصلا فوتوني را دريافت نكند.
آليس و باب هر بار با قرار دادن صافي هاي خود بصورت تصادفي ، رشته اي از جفت فوتونهاي EPR را اندازه گيري ميكنند . در پايان كار آنها چگونگي قرار دادن صافي خود را در لحظات مختلف به آگاهي يكديگر ميرسانند و يا در صورت لزوم با فرياد كشيدن ازروي پشت بام ميتوانند اين آگاهي را به يكديگر منتقل كنند! اگر هر دوي آنها حالتهاي يكساني براي صافيهاي خود انتخاي كرده باشند ، ميدانند كه نتيجه بايد يكسان باشد و ميتوانند از اطلاعات بدست آمده براي ساختن كليدي سري استفاده كنند . اما اگر حالتهاي انتخاب شده آنها متفاوت بود ، هيچيك از آنها نميتوانند بگويند كه ديگري چه چيزي را مي بايست ديده باشد و بنابراين از نتايج خود چشم پوشي ميكنند.
چنين چيزيممكن است گامي به عقب تلقي شود . با ساختن اين كليد ، تعداد اندازه گيري ها دو برابر شده است زيرا نيمي از اندازه گيري ها بايد دور ريخته شوند . اما امتياز اين روش در اين است كه يك جاسوس بدون نشان دادن خود ف نميتواند فونونها را بربايد . اين جاسوس اگر بخواهد آشكارساز خودش را براي ربودن فوتونهاي آليس سر راه آنها قراردهد ، هر بار بايد حدس بزند كه صافي اش را در مقايسه با صافي آليس قائم نگه دارد يا با زاويه 45 درجه ، اگر درست حدس بزند ميتواند يك فوتون بدلي براي آليس بفرستد و هيچكس از قضيه بويي نخواهد برد ، اما اگر اشتباه حدس بزند نوع ديگر فوتون را (كه اشتباه است) براي آليس خواهد فرستاد.
آليس همچنان فوتونها راآشكارسازي و نتايج آنرا ثبت ميكند اما او و باب ميتوانند اندازه گيريهاي خود را آماري محك بزنند ، كه نتيجه ف وجود جاسوسي را آشكار خواهد كرد . اين روش علمي است زيرا فوتونهايي را كه آليس و باب ميبينند به وسيله وابستگي شبح گون EPR با يكديگر در ارتباطند و هر استراق سمعي باعث نابودي آن ارتباط ميشود . در حقيقت وابستگي EPR اكنون بين باب و جاسوس برقرار شده و يك وابستگي ناكوانتومي كاملا متفاوت بين جاسوس و آليس بوجود آمده است . محكهاي آماري به آليس و باب ميگويد كه آبا ارتباط EPR آنها در طول مبادله فوتون حفظ شده است يا نه و به اين ترتيب مشخص ميشود كه آيا كليد آنهامحفوظ مانده است يا خير.
همه آنچه كه گفته شد بدين معناست كه آليس و باب ميتوانند هر آنچه را كه انجام ميدهند جز نتايج مربوط به خودشان را كه در هر اندازه گيري بدست مي آورند به دنيا اعلام كنند.
آنها ميتوانند كليد رمزي شان را - بدون فرستادن هيچگونه اطلاعات حساس از محلي به محل ديگر -  آماده كاركنند و اگر جاسوسي سعي در بدست آوردن رمز آنها داشته باشد بلافاصله متوجه خواهند شد.
چند سال پيش "ريچارد هيوز" و همكارانش در آزمايشگاه ملي لوس آلاموس در نيومكزيكو (ايالات متحده) ، سيستمي را روي يك شبكه 14 كيلومتري فيبر نوري كار گذاشتند كه واقعا بصورت يك كليد رمزي عمل ميكند . آنها از اين دستاورد خود براي اهداف خرابكارانه استفاده نكردند – حداقل تا آنجايي كه ما ميدانيم...!  ‏2010‏/12‏/05