Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки - Саймон Сингх

Теперь фальшивомонетчик сталкивается с проблемой: он не может просто подделать долларовую банкноту с произвольным номером серии и случайной поляризационной последовательностью в ловушках для фотонов, поскольку такой пары в банковском списке нет, и банк обнаружит, что эта долларовая банкнота является фальшивой. Чтобы подделка была качественной, фальшивомонетчик должен в качестве образца использовать подлинную банкноту, каким-то образом измерить его 20 поляризаций, а затем сделать копию долларовой банкноты, взяв за образец номер серии и соответствующим образом заполнив ловушки для фотонов. Однако измерение поляризации фотонов является исключительно сложной задачей, и если фальшивомонетчик не сможет точно измерить их в подлинной банкноте-образце, то он не смеет надеяться сделать копию.

Чтобы понять всю сложность измерения поляризации фотонов, нам необходимо выяснить, как мы собираемся его выполнять. Единственный способ выяснить что-либо о поляризации фотона — это воспользоваться поляризационным фильтром. Чтобы измерить поляризацию фотона в определенной ловушке для фотонов, фальшивомонетчик выбирает поляризационный фильтр и ориентирует его в определенном направлении, скажем, вертикально, . Если фотон, вылетающий из ловушки для фотонов, окажется вертикально поляризованным, он пройдет через поляризационный фильтр с вертикальной поляризацией, и фальшивомонетчик вполне справедливо предположит, что это вертикально поляризованный фотон.

Если же вылетающий фотон является горизонтально поляризованным, то через поляризационный фильтр с вертикальной поляризацией он не пройдет, и фальшивомонетчик вполне справедливо предположит, что это горизонтально поляризованный фотон. Однако может случиться так, что вылетающий фотон окажется диагонально поляризованным ( или ), и тогда он может как пройти через фильтр, так и не пройти через него; в любом случае фальшивомонетчик не сумеет определить его истинную природу. Фотон с поляризацией может пройти через поляризационный фильтр с вертикальной поляризацией, и в этом случае фальшивомонетчик ошибочно предположит, что это вертикально поляризованный фотон. Но этот же самый фотон может не пройти через фильтр, и в этом случае фальшивомонетчик ошибочно предположит, что это горизонтально поляризованный фотон. С другой стороны, если фальшивомонетчик собирается измерить фотон в другой ловушке для фотонов, ориентируя фильтр диагонально, допустим, , то этим он правильно определит природу диагонально поляризованного фотона, но безошибочно идентифицировать вертикально или горизонтально поляризованный фотон не сумеет.

Проблема для фальшивомонетчика состоит в том, что для определения поляризации фотона он должен правильно сориентировать поляризационный фильтр, но он не знает, какую ориентацию использовать, так как не знает поляризацию фотона. Такая парадоксальная ситуация свойственна физике фотонов. Представим себе, что фальшивомонетчик выбирает -фильтр для измерения фотона, вылетающего из второй ловушки для фотонов, а фотон не проходит через фильтр. Фальшивомонетчик может быть уверен, что этот фотон не был -поляризован, поскольку такой фотон прошел бы через фильтр. Однако фальшивомонетчик не может сказать, был ли этот фотон таким, который заведомо не прошел бы через фильтр, то есть -поляризован, или же его поляризация была такова, что в половине случаев он будет задержан, то есть он был - или -поляризован.

Рис. 74 Квантовые деньги Стивена Виснера. Каждая банкнота является уникальной благодаря своему номеру серии, который можно легко видеть, и 20 ловушкам для фотонов, чье содержимое является загадкой. В ловушках для фотонов находятся фотоны с различными поляризациями. Банк знает поляризационные последовательности, соответствующие каждому номеру серии, фальшивомонетчик же — нет.

Сложность при измерении фотонов является одним из положений принципа неопределенности, открытым в 20-е годы немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Он сформулировал свое в высшей степени специальное положение в виде простого утверждения: «Мы в принципе не можем знать настоящее во всех его подробностях». Это не означает, что мы не знаем всего, потому что у нас нет достаточно средств измерения или потому что наше оборудование плохо сконструировано. Напротив, Гейзенберг утверждал, что логически невозможно измерить все характеристики определенного объекта с абсолютной точностью. В нашем конкретном случае мы не можем с абсолютной точностью измерить все характеристики находящихся в ловушках фотонов. Принцип неопределенности — это еще одно причудливое следствие квантовой теории.

Квантовые деньги Виснера учитывают тот факт, что подделка денег является двухступенчатым процессом: во-первых, фальшивомонетчику необходимо провести измерение оригинальной банкноты с высокой точностью, а затем он должен сделать ее копию. За счет использования фотонов, долларовую банкноту теперь измерить точно стало невозможно, и поэтому на пути подделки денег возник барьер.

Наивный фальшивомонетчик полагает, что если он не может измерить поляризации фотонов в ловушках, то этого не сможет сделать и банк. Он может попробовать изготовить долларовые банкноты, заполняя ловушки для фотонов произвольной поляризационной последовательностью. Банк, однако, способен проверить подлинность банкнот. Он сверяет номер серии со своим тайным списком, чтобы выяснить, какие фотоны должны находиться в ловушках для фотонов. Поскольку банк знает, какие поляризации следует ожидать в каждой из ловушек, он может правильным образом сориентировать поляризационный фильтр для каждой ловушки и выполнить точное измерение. Если банкнота фальшивая, то есть когда фальшивомонетчик заполнил ловушки произвольной поляризационной последовательностью, это приведет к неправильным результатам измерений и банкнота будет признана подделкой. Например, если банк применяет -фильтр для измерения фотона, который должен иметь -поляризацию, но оказывается, что фотон задерживается фильтром, это означает, что фальшивомонетчик заполнил ловушку неправильным фотоном. Если же банкнота окажется подлинной, то банк повторно заполнит ловушки для фотонов соответствующими фотонами и вновь запустит ее в обращение.

Короче говоря, фальшивомонетчик не может измерить поляризации в подлинной банкноте, поскольку он не имеет представления, какого вида фотоны находятся в каждой из ловушек для фотонов, и не может поэтому знать, как сориентировать поляризационный фильтр, чтобы точно его измерить. С другой стороны, банк способен проверить поляризации в подлинной банкноте, потому что он сам изначально задал поляризацию, и поэтому знает, как сориентировать поляризационный фильтр для каждой из ловушек.

Квантовые деньги — это блестящая идея. И к тому же совершенно неосуществимая. Начать с того, что инженеры пока что не разработали способ улавливать в ловушки фотоны с заданными поляризованными состояниями на достаточно долгое время. Даже если такой способ и существует, реализовать его окажется слишком дорого. Защита каждой долларовой банкноты может стоить где-то около 1 млн долларов. Но несмотря на всю их нереализуемость, квантовая теория в квантовых деньгах применяется весьма любопытным способом, так что невзирая на отсутствие интереса и поддержки со стороны своего научного руководителя Виснер направил статью в научный журнал. Ее отвергли. Он направил статью в три других журнала; ее отвергли еще три раза. Виснер заявил, что они просто не разбираются в физике.

Казалось, что только один человек разделял заинтересованность Виснера концепцией квантовых денег. Это был его старый друг по имени Чарльз Беннет, который несколькими годами ранее окончил вместе с ним университет Брандейса. Беннета отличало любопытство, проявляемое им в различных областях науки. Он говорил, что уже в три года знал, что хочет быть ученым, и даже мать не смогла притушить его детское увлечение ею. Однажды она вернулась домой и обнаружила на плите кипящую кастрюлю с каким-то странным тушеным мясом. По счастью, она не соблазнилась попробовать его; как потом выяснилось, это были останки черепахи, которую юный Беннет кипятил в щелочи, чтобы отделить мясо от костей и получить великолепный образец ее скелета. В юношеском возрасте интересы Беннета простирались от биологии до биохимии, а к тому времени, как поступить в Брандейс, он решил посвятить себя химии. В аспирантуре Беннет вплотную занялся физической химией, а затем переключился на исследования в физике, математике, логике и, вдобавок, программировании.