چکیده
هدف این مقاله، ارائه تصویری ساده و قابل فهم از مسیری است که از مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتومی آغاز می‌شود و به یکی از مهم‌ترین کاربردهای آن، یعنی ارتباطات و رمزنگاری امن، می‌رسد.از جایی شروع می کنیم که نگران شکستن قفل کامپیوتر ها در آینده می شویم و ایده‌ای جالب را بنا می‌نهیم که طبق آن از قوانین طبیعت برای محافظت از اطلاعات بهره می‌گیریم.
رمزنگاری کوانتومی؛ وقتی امنیت بر قانون طبیعت بنا می‌شود، نه بر دشواری ریاضی
پیامی رمزگذاری‌شده می‌فرستید و رهگذری ناشناس در میانهٔ راه آن را ضبط می‌کند. او نمی‌تواند رمز را بگشاید و ناچار آن را بایگانی می‌کند. ده یا بیست سال بعد، ابزاری در اختیارش قرار می‌گیرد که قفل‌های امروز را می‌شکند و او آرشیو مکاتبات قدیمی را یکی‌یکی می‌خواند. متخصصان امنیت این سناریو را «حالا ذخیره کن، بعداً رمزگشایی کن» (Harvest Now, Decrypt Later) می‌نامند. این نگرانی یکی از دلایل اصلی است که امروز دربارهٔ رمزنگاری کوانتومی جدی گفت‌وگو می‌شود.
اما این حوزه تنها واکنشی به تهدید کامپیوترهای کوانتومی نیست. ایدهٔ بنیادین آن جسورانه است: به‌جای اینکه امنیت را بر «دشوار بودن یک مسئلهٔ ریاضی» استوار کنیم، آن را بر یکی از قوانین بنیادین فیزیک بنا کنیم. این مقاله گام‌به‌گام توضیح می‌دهد این ایده چگونه شکل می‌گیرد، در کجا کارآمد است، در کجا محدودیت دارد و چه نسبتی با «اینترنت کوانتومی» دارد.
۱. چرا رمزهای امروز از کامپیوتر کوانتومی نگرانند؟
رمزنگاری مدرن بر دو ستون ایستاده است. ستون نخست رمزنگاری متقارن (مانند AES) است. در آن فرستنده و گیرنده کلیدی مشترک دارند، و همین کلید هم پیام را قفل می‌کند و هم می‌گشاید. این روش سریع و قدرتمند است، اما پرسشی را بی‌پاسخ می‌گذارد: دو طرفی که هرگز یکدیگر را ندیده‌اند، آن کلید مشترک را چگونه و از کدام مسیر امن مبادله کنند؟
پاسخ را ستون دوم، رمزنگاری نامتقارن (مانند RSA و منحنی‌های بیضوی)، می‌دهد. در این روش هر کاربر یک کلید عمومی دارد که آزادانه منتشر می‌شود و یک کلید خصوصی که هرگز از دست او خارج نمی‌شود. همین سازوکار در پس نماد قفل کنار نشانی وب‌سایت‌های امن کار می‌کند و هر روز میلیاردها بار در اینترنت به کار می‌رود.
نکتهٔ مهم این است که امنیت رمزنگاری نامتقارن بر یک فرض تکیه دارد: برخی مسائل ریاضی، مانند تجزیهٔ عددی بسیار بزرگ به عوامل اول، برای کامپیوترهای متعارف عملاً حل‌شدنی نیستند. ضرب دو عدد اول بزرگ کاری آسان است، اما بازگرداندن حاصل‌ضرب به دو عامل نخستین آن، در مقیاس امروزی، ده‌ها سال زمان می‌طلبد. این فرض تا امروز خوب از خود دفاع کرده است.
در سال ۱۹۹۴ پیتر شور نشان داد کامپیوتر کوانتومیِ به‌اندازهٔ کافی بزرگ و عاری از خطا می‌تواند همین مسائل را در زمانی معقول حل کند. پیامد آن روشن است: اگر چنین ماشینی ساخته شود، RSA و منحنی‌های بیضوی از اعتبار می‌افتند. تصویر برای رمزنگاری متقارن بسیار امیدوارکننده‌تر است. الگوریتم گروور جستجو را تنها به اندازهٔ جذر شتاب می‌دهد، یعنی مزیتی محدود و قابل جبران. به همین دلیل رمزهای متقارنی که کلید بلند دارند، مانند AES-256، همچنان امن تلقی می‌شوند.
بنابراین آنچه در خطر است کلید عمومی و مبادلهٔ کلید است، نه همهٔ رمزنگاری. رمزنگاری کوانتومی می‌کوشد تکیه‌گاه این بخش را از «فرض دشواری محاسباتی» به «قانون طبیعت» منتقل کند. لازم است دو نکته را هم صادقانه بگوییم. نخست اینکه کامپیوتر کوانتومیِ مقیاس‌بزرگ و مقاوم در برابر خطا هنوز وجود ندارد و نگرانی امروز از جنس تهدیدی آینده‌نگرانه است، نه شکستی فوری. دوم اینکه رمزنگاری کوانتومی تنها پاسخ ممکن نیست. رمزنگاری پساکوانتومی مسیری دیگر است که با الگوریتم‌های کلاسیکِ مقاوم در برابر حملات کوانتومی کار می‌کند، اما همچنان به سختی مسائل محاسباتی تکیه دارد.
۲. چهار ایدهٔ کوانتومی که برای فهم این داستان لازم است.
کیوبیت: بیتی که هنوز تصمیمش را نگرفته!
بیت کلاسیک یا صفر است یا یک؛ مانند کلیدی که یا روشن است یا خاموش. حالت یک کیوبیت را می‌توان ترکیبی (برهم‌نهی) از دو امکان توصیف کرد. این عبارت را معمولاً ساده‌سازی می‌کنند و می‌گویند «هم صفر است هم یک»، اما تعبیر دقیق‌تر این است: کیوبیت حالتی است که احتمال نتایج آینده را مشخص می‌کند. هنگام اندازه‌گیری فقط یکی از دو نتیجه دیده می‌شود و خودِ حالت تعیین می‌کند که هر نتیجه با چه احتمالی ظاهر شود.
برای تصور فیزیکی، ساده‌ترین کیوبیت را در نظر بگیرید: قطبش یک فوتون. نور موجی الکترومغناطیسی است و میدان الکتریکی آن در جهتی مشخص، عمود بر مسیر حرکت، نوسان می‌کند. آن جهت همان قطبش است. شیشهٔ عینک‌های آفتابی پلاروید فیلتر قطبنده است که فقط نوری را عبور می‌دهد که در جهت مشخصی نوسان کند. رفتار یک فوتون در برابر این فیلتر چنین است:
فوتونی با قطبش عمودی، از فیلتر عمودی با اطمینان کامل عبور می‌کند و از فیلتر افقی هرگز.
همان فوتون اگر به فیلتر ۴۵ درجه برسد، نتیجه کاملاً تصادفی است: با احتمال ۵۰٪ عبور می‌کند و با احتمال ۵۰٪ جذب می‌شود. هیچ اطلاعات پنهانی وجود ندارد که پیش از رسیدن فوتون به فیلتر پاسخ را تعیین کند.
اندازه‌گیری، حالت را تغییر می‌دهد.
در فیزیک کلاسیک می‌توان چیزی را بدون دستکاری آن «تماشا کرد». دنیای کوانتومی چنین امتیازی نمی‌دهد. فوتونی که از فیلتر ۴۵ درجه گذشته، اکنون خودش ۴۵ درجه‌ای است و اینکه پیش‌تر عمودی بوده برای همیشه از میان رفته است.
آزمایشی ساده این نکته را ملموس می‌کند. دو فیلتر، یکی عمودی و دیگری افقی، را پشت هم بگذارید. هیچ نوری از هر دو عبور نمی‌کند. حالا فیلتر سومی با زاویهٔ ۴۵ درجه میان آن دو قرار دهید. با اینکه فیلتر تازه فقط جلوی نور را می‌گیرد و چیزی به آن نمی‌افزاید، مقداری نور از مجموعه عبور می‌کند. توضیح آن این است که فیلتر میانی قطبش نور را بازنویسی می‌کند و فوتون‌هایی که از آن گذشته‌اند دیگر «عمودی» نیستند، بلکه ۴۵ درجه‌اند و شانس عبور از فیلتر افقی را دارند. هر اندازه‌گیری فقط اطلاعات نمی‌گیرد؛ حالت را هم دوباره می‌نویسد.
می‌توان اندازه‌گیری را «پرسیدن یک سؤال» دانست و نوع سؤال را مبنا نامید (مثلاً «آیا عمودی است یا افقی؟» در برابر «آیا ۴۵ درجه است یا ۱۳۵ درجه؟»). اگر مبنای اندازه‌گیری با نحوهٔ آماده‌سازی فوتون هم‌خوان باشد، پاسخ قطعی است. اگر هم‌خوان نباشد، پاسخ تصادفی است و حالت اولیه قابل بازیابی نیست. نتیجه اینکه هیچ‌کس نمی‌تواند به یک حالت کوانتومیِ ناشناخته «نگاه کند» و آن را دست‌نخورده رها کند. این مهم‌ترین ایده‌ای است که رمزنگاری کوانتومی بر آن سوار است. اگر جاسوسی مبنای اشتباهی انتخاب کند، هم خودش پاسخی تصادفی می‌گیرد و هم فوتونی دگرگون‌شده به مقصد می‌رسد. این دگرگونی در ارتباط دو طرف به‌صورت خطا نمایان می‌شود و ردی از شنود باقی می‌گذارد.
همانندسازی ممنوع است (No-cloning)
در دنیای کلاسیک، کپی‌کردن داده تقریباً رایگان است و ردی هم بر جا نمی‌گذارد. کسی که به کابل شما وصل شود می‌تواند سیگنال را نسخه‌برداری کند و شما هرگز نمی‌فهمید. قضیهٔ عدم‌همانندسازی می‌گوید این کار برای حالت‌های کوانتومیِ ناشناخته ممکن نیست: هیچ دستگاهی وجود ندارد که از یک حالت دلخواه و ناشناخته کپی کامل بسازد.
پیامد این قضیه برای امنیت مستقیم است. جاسوس نمی‌تواند فوتون را کپی کند، روی نسخهٔ خودش با فراغت آزمایش کند و اصل را دست‌نخورده به مقصد بفرستد. برای دانستن هر چیزی باید خودِ فوتون را اندازه بگیرد، و اندازه‌گیری، همان‌طور که دیدیم، آن را تغییر می‌دهد. دقت کنید که این قضیه اندازه‌گیری را ممنوع نمی‌کند. آنچه ممنوع است این است که بتوان بدون هیچ اختلالی، هم اطلاعات گرفت و هم حالت اصلی را حفظ کرد.
درهم‌تنیدگی (Entanglement)
دو ذره را می‌توان چنان آماده کرد که آن‌ها را نتوان مستقل از هم توصیف کرد و فقط مجموعهٔ آن دو حالتی مشخص دارد. اندازه‌گیری این ذرات همبستگی‌هایی نشان می‌دهد که فیزیک کلاسیک توضیح سرراستی برایشان ندارد، حتی اگر ذرات فاصلهٔ بسیار زیادی از هم داشته باشند. تشبیه رایج «دو دستکش که در دو جعبه جدا شده‌اند» ناکافی است. اگر نتیجه از پیش در هر ذره «نوشته» شده بود، آزمایش‌ها همبستگی‌هایی به قوت آنچه مشاهده شده به دست نمی‌دادند.
اما این پدیده را نباید با ارتباط آنی اشتباه گرفت. هر یک از دو طرف، به‌تنهایی، فقط دنبالهٔ نتایجی کاملاً تصادفی می‌بیند و هیچ پیامی نمی‌تواند از آن بیرون کشیده شود. همبستگی فقط وقتی آشکار می‌شود که دو طرف نتایج خود را با هم مقایسه کنند، و این مقایسه از راه یک کانال معمولی انجام می‌شود که نمی‌تواند سریع‌تر از نور باشد. درهم‌تنیدگی ماده‌ای خام است، نه یک خط تلفن فرالحظه‌ای؛ و همین ماده‌ٔ خام بنیان پروتکل E91، ترابرد کوانتومی و طرح اینترنت کوانتومی را می‌سازد.
استثنایی که قاعده را دقیق‌تر می‌کند: اندازه‌گیری بدون تخریب.
آشکارسازهای معمولی فوتون را با جذب آن «می‌بینند»: فوتون انرژی‌اش را به آشکارساز می‌دهد و از میان می‌رود. اما فیزیکدانان روشی دیگر هم می‌شناسند که اندازه‌گیری کوانتومی بدون تخریب (QND) نام دارد. در این روش، فوتون با یک سامانهٔ کمکی، مانند اتمی خاص یا کاواکی نوری، برهم‌کنشی بسیار ظریف می‌کند و سامانهٔ کمکی ردی از حضور آن را ثبت می‌کند، بی‌آنکه فوتون جذب شود. به این ترتیب می‌توان مثلاً دریافت که یک تپ نوری چند فوتون دارد و همان تپ را سالم به راه خود فرستاد.
این موضوع با قاعدهٔ «اندازه‌گیری حالت را تغییر می‌دهد» تناقضی ندارد، بلکه حد دقیق آن را نشان می‌دهد. اندازه‌گیری بدون تخریب فقط یک کمیت مشخص، مثلاً تعداد فوتون‌ها، را بی‌اختلال می‌سنجد و کمیت‌های مکمل آن را ناگزیر برهم می‌زند. اگر رمز روی قطبش فوتون سوار باشد و جاسوس فقط تعداد را بسنجد، قطبش دست‌نخورده می‌ماند. اما هر اندازه‌گیری‌ای که دربارهٔ خودِ اطلاعات رمزشده چیزی آشکار کند، ناگزیر حالت را دگرگون می‌کند.
همین تمایز پایهٔ یکی از شناخته‌شده‌ترین حملات نظری به رمزنگاری کوانتومی است. فرستنده‌های عملی معمولاً تپ‌های نوری بسیار ضعیف می‌فرستند و نه فوتون‌های تک‌به‌تک، و گاهی یک تپ بیش از یک فوتون دارد. در حملهٔ شکافتن تعداد فوتون (Photon-Number Splitting, PNS)، جاسوس با اندازه‌گیری بدون تخریب تعداد فوتون‌ها را می‌شمارد. اگر تپی چند فوتون داشته باشد، یکی را برمی‌دارد و بقیه را به مقصد می‌فرستد. او اندازه‌گیری قطبش را نگه می‌دارد تا وقتی فرستنده و گیرنده مبنای درست را در کانالی عمومی اعلام کنند، و آنگاه فوتونش را با همان مبنا می‌سنجد و بی‌خطا کلید را می‌خواند. تپ‌های تک‌فوتونی را مسدود می‌کند و چون هر زمان افت کانال را بهانه می‌کند، کمبود فوتون‌ها هم مشکوک نمی‌نماید. این حمله بر نقص تجهیزات تکیه دارد، نه بر ضعف قوانین کوانتوم، و روش استاندارد مقابله با آن حالت‌های فریب (decoy states) است: فرستنده به‌طور تصادفی تپ‌هایی با شدت‌های متفاوت می‌فرستد و آمار رسیدن آن‌ها به گیرنده دخالت جاسوس را آشکار می‌کند. لازم به گفتن است که حمله‌ای کامل از این نوع با فناوری امروز بسیار دشوار است، اما امنیت پروتکل‌ها باید در برابر هر کاری که قوانین فیزیک اجازه می‌دهند اثبات شود، نه در برابر آنچه امروز شدنی است.
درهم‌تنیدگی: از یک مناقشهٔ فلسفی تا سرمایهٔ فناوری
درهم‌تنیدگی را نه فیزیکدانان برای ساختن فناوری، که منتقدان مکانیک کوانتومی برای نشان دادن نقص آن به میدان آوردند. داستان از دههٔ ۱۹۲۰ شروع می‌شود. مکانیک کوانتومی تازه شکل گرفته بود و موفقیت‌های عملی‌اش انکارناپذیر بود، اما تعبیر آن، یعنی احتمالی بودن ذاتی نتایج، برای بسیاری از بنیان‌گذارانش ناخوشایند بود. آلبرت اینشتین که خود از پایه‌گذاران نظریه بود، این ذاتِ تصادفی را نمی‌پذیرفت. عبارت مشهور «خدا تاس نمی‌ریزد» از همین دوره به او نسبت داده می‌شود. او و نیلز بور سال‌ها بر سر این پرسش مناظره کردند که آیا نظریه توصیفی کامل از واقعیت است یا نه.
مقالهٔ ۱۹۳۵: پارادوکسی که قرار بود نظریه را زمین بزند
در سال ۱۹۳۵ اینشتین با بوریس پودولسکی و ناتان روزن مقاله‌ای منتشر کرد که به EPR (از سر حروف نام‌شان) شهرت یافت. استدلال آن‌ها ساده بود. دو ذره را طوری آماده کنید که ویژگی‌هایشان به هم وابسته باشد، سپس آن‌ها را از هم دور کنید. اکنون با اندازه‌گیری روی ذرهٔ نخست می‌توانید نتیجهٔ اندازه‌گیری روی ذرهٔ دوم را با اطمینان کامل پیش‌بینی کنید، بی‌آنکه ذرهٔ دوم را لمس کرده باشید. اینشتین و همکارانش دو اصل را مسلم می‌گرفتند. نخست اینکه اگر چیزی را بتوان بی‌اختلال و با قطعیت پیش‌بینی کرد، آن چیز پیش از اندازه‌گیری هم در ذره وجود داشته است. دوم اینکه رویدادی در نقطه‌ای دور نمی‌تواند آنی بر ذره‌ای دیگر اثر بگذارد. نتیجه‌ای که می‌گرفتند این بود: چون نظریهٔ کوانتومی این ویژگی‌های از پیش موجود را در توصیف خود ندارد، ناقص است و باید نظریه‌ای عمیق‌تر باشد که آن‌ها را شامل شود. بور همان سال پاسخ داد که نباید دو ذره را جدا از هم و مستقل توصیف کرد، اما بحث فلسفی باقی ماند و بیشتر فیزیکدانان که سرگرم کاربردهای نظریه بودند، آن را نادیده گرفتند.
نام‌گذاری و «اثر شبح‌وار»
اروین شرودینگر، که با پرسش‌های EPR همراه بود، در همان سال مقاله‌ای نوشت و برای این پیوند نام گذاشت: در آلمانی «Verschränkung» و در ترجمهٔ خودش «entanglement». او آن را نه یکی از ویژگی‌های مکانیک کوانتومی، بلکه نشانهٔ اصلی تمایز آن از فیزیک کلاسیک دانست. اینشتین اما خرسند نشد و سال‌ها بعد، در نامه‌ای به ماکس بورن، آن را «کنش شبح‌وار از دور» خواند. این تعبیر امروز نیز در نوشته‌های عمومی رواج دارد، هرچند، چنان که دیدیم، درهم‌تنیدگی امکان فرستادن پیام سریع‌تر از نور نمی‌دهد.
قضیهٔ بل: بازی‌ای که طبیعت را محک می‌زند
بیش از سی سال، پرسش EPR در حد مناقشه‌ای فلسفی ماند، زیرا به نظر می‌رسید هیچ آزمایشی نمی‌تواند میان «نظریهٔ کوانتومی» و «نظریه‌ای عمیق‌تر با ویژگی‌های از پیش موجود» داوری کند. در سال ۱۹۶۴ جان بل، فیزیکدان ایرلندی، نشان داد که چنین داوری ممکن است. ایدهٔ او را می‌توان بی‌فرمول چنین گفت.
ایدهٔ بل را می‌توان در قالب یک بازی توضیح داد. دو بازیکن، آلیس و باب، در دو اتاق دربسته و دور از هم نشسته‌اند و هیچ راهی برای ارتباط با هم ندارند. پیش از جدا شدن می‌توانند هر نقشه و قراری با هم بگذارند، اما پس از آن هر چه هست، تصمیم مستقل هر کدام است. در هر دور بازی اتفاقات زیر می‌افتد:
- داور به آلیس یک «سؤال» می‌دهد که صفر یا یک است، و به باب هم یک سؤال صفر یا یک، هر دو کاملاً تصادفی و مستقل از هم.
- هر بازیکن بی‌آنکه سؤال دیگری را بداند، یک «پاسخ» صفر یا یک اعلام می‌کند.
- داور پاسخ‌ها را کنار هم می‌گذارد و می‌بیند برنده‌اند یا نه.
قاعدهٔ برد ساده است: دو پاسخ باید یکسان باشند، مگر وقتی که هر دو سؤال یک باشد؛ در آن حالت پاسخ‌ها باید متفاوت باشند. جدول زیر چهار حالت ممکن را نشان می‌دهد.
سوال آلیس | سوال باب | پاسخ‌های برنده |
0 | 0 | یکسان باشند |
0 | 1 | یکسان باشند |
1 | 0 | یکسان باشند |
1 | 1 | متفاوت باشند |
جدول 1: ایده بل در قالب یک بازی.
بهترین راهبرد بدون درهم‌تنیدگی
اگر بازیکنان فقط قرارهای از پیش تعیین‌شده داشته باشند، سقف موفقیتشان چقدر است؟ ساده‌ترین راه گرفتن پاسخ این است که تصور کنید آن‌ها هر دو از پیش بدانند در برابر هر سؤال چه بگویند: آلیس بداند به سؤال ۰ چه بگوید و به سؤال ۱ چه، و باب همین‌طور. سپس ببینید آیا می‌شود هر چهار حالت جدول را برد. برای بردن سه ردیف اول باید پاسخ آلیس به سؤال ۰ با پاسخ باب به سؤال ۰ برابر باشد، همان پاسخ باب به سؤال ۱ هم باید با آن برابر باشد، و آلیس به سؤال ۱ هم باید همان را بگوید. یعنی هر چهار پاسخ باید یکسان باشند. اما ردیف چهارم می‌گوید پاسخ آلیس و باب به سؤال ۱ باید متفاوت باشد و این با زنجیرهٔ تساوی‌های پیشین ناسازگار است. نتیجه اینکه با هر قرار از پیش تعیین‌شده، دست‌کم یکی از چهار حالت باخت است و در بهترین حالت سه حالت از چهار حالت برده می‌شود: ۷۵٪.
تصادفی بازی کردن یا مشورت کردن با بخت‌آزمایی هم چیزی عوض نمی‌کند، چون هر راهبرد تصادفی در واقع آمیزه‌ای از چند قرار قطعی است و از بهترین آن‌ها بهتر نمی‌شود. این همان چیزی است که اینشتین و همکارانش در ذهن داشتند: اگر ذره‌ها از ابتدا «دستورالعملی» همراه خود داشته باشند که نتیجهٔ هر اندازه‌گیری را تعیین کند، مثل جفت دستکشی که از قبل یکی راست و یکی چپ است، آنگاه چنین دستورالعملی هم‌ارز همان قرار قطعی است و سقف ۷۵٪ را رعایت می‌کند.
وقتی بازیکنان ذرات درهم‌تنیده دارند
حالا فرض کنید آلیس و باب پیش از جدا شدن یک جفت فوتون درهم‌تنیده تهیه کرده‌اند و هر کدام یکی را با خود برده است. مراحل بازی همان است، با این تفاوت که هر کدام پس از دریافت سؤال خود، فوتونش را از یک فیلتر قطبنده عبور می‌دهد. سؤال ۰ یعنی «فیلتر را در این زاویه بگذار» و سؤال ۱ یعنی «فیلتر را در زاویهٔ دیگر بگذار». پاسخ هم چنین تعیین می‌شود: اگر فوتون عبور کرد ۰ و اگر جذب شد ۱. در طرح معمول آزمایش، آلیس بین دو زاویهٔ ۰ و ۴۵ درجه و باب بین ۲۲٫۵ و ۶۷٫۵ درجه انتخاب می‌کند.
هیچ‌کدام از دو پاسخ به‌تنهایی الگویی ندارد: هر بازیکن همیشه دنباله‌ای کاملاً تصادفی می‌بیند. اما وقتی نتایج هزاران دور را کنار هم بگذاریم، پاسخ‌های آلیس و باب چنان با هم هماهنگ‌اند که نرخ برد به حدود ۸۵٪1 می‌رسد، چیزی که با هیچ قرار از پیش تعیین‌شده‌ای ممکن نیست. یعنی درهم‌تنیدگی چیزی فراتر از «دستکش‌های از پیش تعیین‌شده» است.
سه نکته را باید در نظر داشت:
بازیکنان نمی‌توانند پیام بفرستند. اگر می‌توانستند، بردن هر چهار حالت آسان بود. درهم‌تنیدگی ارتباط برقرار نمی‌کند و فقط همبستگی‌ای فراتر از توان قراردادهای از پیش تعیین‌شده می‌سازد.
سؤال‌ها باید پس از جدا شدن ذرات و به‌صورت تصادفی انتخاب شوند. اگر انتخاب زاویه از پیش معلوم بود، ذره‌ها می‌توانستند دستورالعمل مخصوص همان زاویه‌ها را همراه داشته باشند. به همین دلیل آزمایش‌های جدی، انتخاب را در آخرین لحظه و با مولدهای تصادفی سریع انجام می‌دهند.
این یک آزمون تجربی است، نه یک بحث فلسفی. پیش‌بینی ۷۵٪ در برابر ۸۵٪1 را می‌توان در آزمایشگاه اندازه گرفت، و اندازه‌گیری‌ها چندین بار به سود مکانیک کوانتومی بوده است.
آزمایش‌ها: طبیعت پاسخ می‌دهد
اولین آزمایش‌ها در دههٔ ۱۹۷۰ با کار جان کلاوزر و استوارت فریدمن انجام شد و نتیجه به سود مکانیک کوانتومی بود. در اوایل دههٔ ۱۹۸۰ آلن اسپه با تغییر سریع جهت فیلترها در حین پرواز فوتون‌ها آزمایش‌هایی قانع‌کننده‌تر انجام داد. بعدتر، در سال ۲۰۱۵ چند گروه مستقل آزمایش‌هایی انجام دادند که راه‌های فرار اصلی را، که منتقدان می‌گشودند، همزمان بستند. یکی از این گروه‌ها با الکترون‌هایی در الماس در دو نقطهٔ دانشگاه دلفت کار می‌کرد. در سال ۲۰۲۲ جایزهٔ نوبل فیزیک به کلاوزر، اسپه و آنتون تسایلینگر، برای همین آزمایش‌ها و پیشگامی در علم اطلاعات کوانتومی، رسید. یعنی چیزی که اینشتین نشانهٔ نقص نظریه می‌دانست، امروز از آزمون‌شده‌ترین ویژگی‌های طبیعت است.
از پارادوکس به ابزار
آنچه این داستان را برای رمزنگاری مهم می‌کند این است که آزمون بل ابزار امنیتی هم هست. آرتور اکرت در ۱۹۹۱ نشان داد می‌توان با ذرات درهم‌تنیده کلید ساخت، به این ترتیب که فرستنده و گیرنده بخشی از نتایج را صرف آزمون بل می‌کنند. اگر جاسوسی در میان باشد، نمرهٔ بازی افت می‌کند و ادعای امنیت خودبه‌خود لغو می‌شود. این دیدگاه مبنای رمزنگاری «مستقل از دستگاه» است، یعنی امنیتی که حتی به سالم بودن تجهیزات هم تکیه نمی‌کند. کمی پس از آن، در ۱۹۹۳، ترابرد کوانتومی پیشنهاد شد و چند سال بعد به آزمایش درآمد. در ۲۰۱۷ ماهوارهٔ میسیوس چین جفت‌های فوتونیِ درهم‌تنیده را به دو ایستگاه با فاصلهٔ بیش از ۱۲۰۰ کیلومتر رساند. پارادوکس سال ۱۹۳۵ به این ترتیب یکی از سنگ‌بناهای اینترنت کوانتومی شده است.
نتیجه گیری
رمزنگاری کوانتومی نشان می‌دهد که می‌توان از قوانین بنیادی مکانیک کوانتومی برای ایجاد امنیت در ارتباطات استفاده کرد. ویژگی‌هایی مانند تغییر حالت بر اثر اندازه‌گیری، عدم امکان همانندسازی حالت ناشناخته و درهم‌تنیدگی، امکان آشکارسازی یا محدود کردن شنود را فراهم می‌کنند. بااین‌حال، امنیت سامانه‌های واقعی علاوه بر اصول کوانتومی به طراحی مناسب پروتکل و در نظر گرفتن نقص‌ها و محدودیت‌های تجهیزات نیز وابسته است. در نهایت، ترکیب فناوری‌های کوانتومی با رمزنگاری پساکوانتومی می‌تواند نقش مهمی در شکل‌گیری زیرساخت‌های امن ارتباطی آینده داشته باشد.
1عدد ۸۵٪ در واقع مقدار تقریبی (حدود ۸۵٫۴٪) است؛ این بازی به نام CHSH شناخته می‌شود.