„Blocajul” Cuantic ar Putea Descifra Misterele Cauzalității
Versiunea originală a acestui articol a apărut în Quanta Magazine.
În ultimele decenii, cercetătorii au înțeles că computerele cuantice ar trebui, în cele din urmă, să poată sparge codurile larg utilizate care securizează o mare parte din lumea digitală. Pentru a se proteja împotriva acestui destin, ei au petrecut ani de zile dezvoltând noi coduri care par a fi sigure de viitorii spărgători de seifuri înarmați cu computere cuantice. În același timp, ei au conceput, de asemenea, modalități ingenioase de a utiliza regulile mecanicii cuantice pentru a menține comunicațiile securizate.
Dar mecanica cuantică, la fel ca mecanica „clasică” care a precedat-o, este doar o teorie a naturii. Ce se întâmplă dacă, în cele din urmă, este înlocuită de o teorie mai completă, la fel cum mecanica cuantică a înlocuit fizica newtoniană acum un secol? Vor mai fi sigure aceste tehnici de comunicare cuantică într-o lume în care există un set și mai fundamental de reguli?
„În ceea ce privește aceste protocoale criptografice, este bine să fii paranoic”, a spus Ravishankar Ramanathan, un teoretician al informației cuantice de la Universitatea din Hong Kong, care lucrează la criptografia cuantică. „Să încercăm să minimalizăm ipotezele din spatele protocolului. Să presupunem că, la o dată viitoare, oamenii își dau seama că mecanica cuantică nu este teoria supremă a naturii.”
Este o posibilitate demnă de luat în considerare. Dificultatea problemelor remarcabile - cum ar fi reconcilierea mecanicii cuantice și a gravitației - sugerează că o teorie post-cuantică a naturii ar putea implica ceva destul de neașteptat. Pentru a se proteja împotriva posibilității ca protocoalele lor să se bazeze pe ipoteze greșite, unii criptografi cuantici caută principii și mai elementare pe care să construiască. În loc să înceapă de la mecanica cuantică, ei sapă mai adânc, până la însuși conceptul de cauzalitate.
Un Sabotaj Subtil
O modalitate de a înțelege evoluțiile din acest domeniu este de a lua în considerare distribuția cuantică a cheilor, care implică utilizarea regulilor mecanicii cuantice pentru a transmite o cheie - ceva care poate fi folosit pentru a decoda un mesaj secret - într-un mod care nu poate fi modificat pe ascuns.
Distribuția cuantică a cheilor utilizează entanglementul cuantic, care blochează două particule împreună printr-una dintre proprietățile lor, cum ar fi spinul. Entanglementul cuantic conține ceva de un fir declanșator. Dacă cineva încearcă să se joace cu entanglementul - așa cum ar face-o dacă ar încerca să fure cheia - intruziunea va distruge entanglementul, dezvăluind sabotajul. Acest lucru se datorează unui principiu mecanic cuantic fundamental numit „monogamia entanglementului”.
Dar ce se întâmplă dacă acest principiu nu mai este valabil? În acest caz, dacă persoanele care transmit mesajul nu au control complet asupra dispozitivelor lor, un outsider ar putea schimba subtil entanglementul particulelor, perturbând comunicarea fără a lăsa urme. Acest proces se numește blocaj cuantic, iar eforturile de a-l înțelege au crescut în ultimii ani.
Pentru mulți oameni de știință, blocajul este atrăgător, deoarece îi poate ajuta să înțeleagă mai bine atât mecanica cuantică, cât și natura cauzei și a efectului. Se întreabă: Există principii profunde care interzic blocajul, care îl fac imposibil? Sau, dacă niciun principiu nu îl interzice, ar putea avea loc blocajul în lumea reală?
Jim Jammerul
Michał Eckstein, un fizician teoretician de la Universitatea Jagiellonian din Cracovia, Polonia, îi place să ilustreze blocajul cu o poveste. Protagoniștii săi sunt personajele clasice din explicațiile mecanicii cuantice, Alice și Bob.
„Să presupunem că îi aveți pe Alice și Bob și se întâlnesc cu un magician, Jim Jammerul”, a spus Eckstein. „Magicianul spune: „Am două bile; una este albă și una este neagră.” Bilele reprezintă o pereche de particule entanglementate. Dacă două particule sunt entanglementate, ele au o proprietate care este legată într-un fel - dacă măsurați prima particulă și constatați că spinul său este în sus, de exemplu, spinul celeilalte particule va fi inevitabil în jos și invers. Acest lucru este valabil chiar dacă cealaltă particulă se află la jumătatea universului. Aici, bilele sunt legate astfel încât, dacă una este albă, cealaltă va fi întotdeauna neagră.
În tropul clasic al magiei scenice, Jim lasă membrii publicului să vadă bilele plasate în două cutii, amestecate și oferite lui Alice și Bob. Nimeni, în acest moment, nu știe ce bilă este în ce cutie. Apoi, Alice și Bob se urcă în rachete care zboară în direcții opuse aproape de viteza luminii. După un timp, Alice își deschide cutia, iar Bob o deschide pe a lui. Dar între timp, Jim a făcut un truc, iar bilele s-au schimbat. La început, nici Alice și nici Bob nu observă interferența lui Jim. Fiecare se așteaptă să aibă o șansă de 50% de a vedea o bilă albă sau neagră, iar când fiecare își deschide cutia, bila este fie albă, fie neagră. Nimic din ceea ce face Jim nu poate schimba asta.
Când Alice și Bob se întâlnesc înapoi pe Pământ, însă, trucul magicianului este dezvăluit. Când Alice și Bob compară măsurătorile lor, ei constată că bilele sunt de aceeași culoare. Jim a schimbat natura entanglementului bilelor - de la a fi culori opuse la a fi potriviri perfecte. Aceasta este ideea de bază, deși în realitate procesul de blocaj cuantic este puțin mai complicat.
La mijlocul anilor 1990, Jacob Grunhaus, Sandu Popescu și Daniel Rohrlich explorau cât de departe ar putea merge o teorie dincolo de regulile mecanicii cuantice, respectând în același timp un principiu de bază al lui Einstein: Nu poți trimite informații mai repede decât viteza luminii. Experimentele mentale ale lui Einstein de la mijlocul secolului au arătat că, fără acest principiu de „non-semnalizare”, însăși noțiunea de cauză și efect ar începe să se destrame. De atunci, principiul de non-semnalizare a devenit o presupunere de bază atunci când fizicienii iau în considerare ce ar putea sta dincolo de mecanica cuantică.
„Când lucrăm în fundamentele cuantice, ceea ce luăm foarte în serios este principiul de non-semnalizare”, a spus Mirjam Weilenmann de la institutul național francez de cercetare Inria.
Grunhaus, Popescu și Rohrlich și-au imaginat blocajul ca un fel de super-entanglement care ar putea interfera cu particulele entanglementate. Așa cum ați putea folosi un dispozitiv de măsurare pentru a determina soarta unei particule entanglementate îndepărtate, ați putea folosi un dispozitiv ipotetic de blocaj pentru a schimba corelația dintre o pereche de particule entanglementate îndepărtate. Dacă această procedură de blocaj ar respecta câteva reguli cheie, argumentează unii fizicieni, ar perturba în secret entanglementul cuantic fără a perturba cauzalitatea.
Ideea de blocaj cuantic este atât de ciudată încât, inițial, fizicienii nu știau exact ce să facă cu ea. „Am scris acea lucrare și asta a fost tot”, a spus Popescu.
Cauză și Efect
Douăzeci de ani mai târziu, a venit momentul să o explorăm mai departe. Criptografia cuantică a crescut, pe măsură ce computerele cuantice au trecut de la idei teoretice la experimente în lumea reală. În primul deceniu al anilor 2000, mai multe grupuri au dezvoltat distribuția cuantică a cheilor independentă de dispozitiv, o procedură de criptografie cuantică care depinde de monogamia entanglementului.
În 2016, Ramanathan și Paweł Horodecki se gândeau la aceste protocoale când au găsit lucrarea lui Grunhaus, Popescu și Rohrlich. „Am început să ne dăm seama că această proprietate a monogamiei, pe care se bazează toată criptografia independentă de dispozitiv, eșuează complet odată ce începeți să permiteți aceste tipuri de corelații de blocaj”, a spus Ramanathan.
Curând, blocajul a fost subiectul unei discuții viguroase. Mulți cercetători au simțit că experimentul mental lipsește ceva important: Deși blocajul nu poate fi folosit pentru a trimite semnale mai repede decât lumina, influențarea stării unei particule cuantice îndepărtate încă se simte ca un fel de „acțiune înfricoșătoare la distanță” care l-a chinuit cu mult timp în urmă pe Einstein.
Dar pentru unii cercetători, disconfortul pe care îl creează blocajul cuantic inspiră idei noi. „O văd ca pe un instrument pentru a încerca să ne ajute să ne perfecționăm intuițiile cu privire la ceea ce este definiția corectă a cauzalității”, a spus Roger Colbeck, care a propus unul dintre primele protocoale pentru criptografia independentă de dispozitiv în teza sa de doctorat din 2006. Acum la King’s College London, Colbeck lucrează cu V. Vilasini la centrul de cercetare Inria de la Universitatea din Grenoble Alpes pentru a clasifica modul în care funcționează cauza și efectul în diferite teorii. Pentru ei, blocajul servește ca un caz limită util. Ei caută un alt principiu fundamental, cum ar fi principiul de non-semnalizare, care să explice ce reguli încalcă blocajul.
Grupuriile lui Ramanathan și Horodecki au răspuns la această lucrare, precum și la o lucrare recentă a lui Weilenmann, într-o preimprimare din decembrie 2025 pe care au scris-o cu Eckstein, Tomasz Miller și tatăl lui Paweł Horodecki, Ryszard. Acum, cercetătorii sunt în conversație, încercând să clarifice termenii, să corecteze neînțelegerile și să caute principiile fundamentale din spatele teoriilor fizice.
„Aceasta este pentru mine cea mai interesantă întrebare”, a spus Eckstein. „Există vreo fizică nouă în spatele ei? Poate include fizica astfel de fenomene?”
Articol original retipărit cu permisiunea Quanta Magazine, o publicație editorial independentă a Fundației Simons a cărei misiune este de a spori înțelegerea publică a științei prin acoperirea evoluțiilor cercetării și a tendințelor în matematică și științele fizice și ale vieții.