Matt Trushheim naciska przełącznik w ciemnym laboratorium, a potężny zielony laser oświetla maleńki diament trzymany na miejscu pod obiektywem mikroskopu. Na ekranie komputera pojawia się obraz, rozproszona chmura gazu usiana jasnozielonymi kropkami. Te świecące kropki to drobne defekty wewnątrz diamentu, w których dwa atomy węgla są zastąpione jednym atomem cyny. Przechodzące przez nie światło lasera przechodzi od jednego odcienia zieleni do drugiego.
Później diament ten zostanie schłodzony do temperatury ciekłego helu. Kontrolując strukturę krystaliczną atomu diamentu po atomie, podnosząc ją do kilku stopni powyżej zera absolutnego i stosując pole magnetyczne, naukowcy z Laboratorium Fotoniki Kwantowej, kierowani przez fizyka Dirka Englunda z MIT, uważają, że mogą z taką precyzją dobierać kwantowo-mechaniczne właściwości fotonów i elektronów. że będą w stanie przekazywać niezniszczalne tajne kody.
Trushheim jest jednym z wielu naukowców, którzy próbują dowiedzieć się, które atomy zamknięte w kryształach, w jakich warunkach pozwolą im przejąć kontrolę nad tym poziomem. W rzeczywistości naukowcy na całym świecie próbują nauczyć się kontrolować naturę na poziomie atomów i poniżej, do elektronów, a nawet ułamka elektronu. Ich celem jest znalezienie węzłów, które kontrolują podstawowe właściwości materii i energii oraz zacieśnienie lub rozplątanie tych węzłów poprzez zmianę materii i energii, aby stworzyć supermocne komputery kwantowe lub nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej.
Naukowcy ci stoją przed dwoma głównymi wyzwaniami. Na poziomie technicznym wykonanie takiej pracy jest bardzo trudne. Na przykład niektóre kryształy w komorach próżniowych muszą być na poziomie 99,99999999% czystsze niż przestrzeń. Jeszcze bardziej fundamentalnym wyzwaniem jest to, że efekty kwantowe, które naukowcy chcą ograniczyć - na przykład zdolność cząstki do przebywania w dwóch stanach jednocześnie, jak kot Schrödingera - pojawiają się na poziomie pojedynczych elektronów. W makrokosmosie ta magia upada. W konsekwencji naukowcy muszą manipulować materią w najmniejszej skali, a ograniczają ich ograniczenia fizyki fundamentalnej. Ich sukces zadecyduje, jak zmieni się nasze rozumienie nauki i możliwości technologicznych w nadchodzących dziesięcioleciach.
Sen alchemika
Do pewnego stopnia manipulacja materią polega na manipulowaniu elektronami. Ostatecznie zachowanie elektronów w substancji decyduje o jej właściwościach jako całości - ta substancja będzie metalem, przewodnikiem, magnesem lub czymś innym. Niektórzy naukowcy próbują zmienić zbiorowe zachowanie elektronów, tworząc kwantową substancję syntetyczną. Naukowcy widzą, jak „bierzemy izolator i zamieniamy go w metal lub półprzewodnik, a następnie w nadprzewodnik. Możemy przekształcić materiał niemagnetyczny w magnetyczny”- mówi fizyk Eva Andrew z Rutgers University. „To spełnienie marzeń alchemika”.
A to marzenie może doprowadzić do prawdziwych przełomów. Na przykład naukowcy od dziesięcioleci próbowali stworzyć nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej. Z pomocą tych materiałów możliwe byłoby stworzenie linii energetycznych, które nie marnują energii. W 1957 roku fizycy John Bardeen, Leon Cooper i John Robert Schrieffer wykazali, że nadprzewodnictwo występuje, gdy swobodne elektrony w metalu, takim jak aluminium, ustawiają się w tak zwanych parach Coopera. Nawet będąc stosunkowo daleko, każdy elektron odpowiadał innemu o przeciwnym spinie i pędzie. Podobnie jak pary tańczące w tłumie na dyskotece, sparowane elektrony poruszają się w koordynacji z innymi, nawet jeśli inne elektrony przechodzą między nimi.
Film promocyjny:
To wyrównanie umożliwia przepływ prądu przez materiał bez napotykania oporu, a zatem bez strat. Najbardziej praktyczne nadprzewodniki opracowane do tej pory muszą mieć stan nieco powyżej zera bezwzględnego, aby ten stan został zachowany. Jednak mogą być wyjątki.
Niedawno naukowcy odkryli, że bombardowanie materiału laserem o dużej intensywności może również, choć na krótko, wybić elektrony w pary Coopera. Andrea Cavalleri z Instytutu Struktury i Dynamiki Materii im. Maxa Plancka w Hamburgu w Niemczech i jego koledzy odkryli oznaki nadprzewodnictwa fotoindukowanego w metalach i izolatorach. Światło padające na materiał powoduje drgania atomów, a elektrony na krótko wchodzą w stan nadprzewodnictwa. „Wstrząsy muszą być gwałtowne” - mówi David Esie, fizyk materii skondensowanej z California Institute of Technology, który wykorzystuje tę samą technikę laserową do manifestowania niezwykłych efektów kwantowych w innych materiałach. „Przez chwilę pole elektryczne staje się bardzo silne - ale tylko na krótki czas”.
Niezniszczalne kody
Kontrolowanie elektronów to sposób, w jaki Trushheim i Englund postanowili opracować nierozerwalne szyfrowanie kwantowe. W ich przypadku celem nie jest zmiana właściwości materiałów, ale przeniesienie właściwości kwantowych elektronów w designerskich diamentach na fotony przekazujące klucze kryptograficzne. Kolorowe centra diamentów w laboratorium Englunda zawierają wolne elektrony, których spiny można zmierzyć za pomocą silnego pola magnetycznego. Spin, który jest wyrównany z polem, można nazwać spinem 1, spin, który nie jest wyrównany, to spin 2, który byłby równoważny 1 i 0 w bicie cyfrowym. „Jest to cząstka kwantowa, więc może znajdować się w obu stanach jednocześnie” - mówi Englund. Bit kwantowy lub kubit jest w stanie wykonywać wiele obliczeń jednocześnie.
Tu rodzi się tajemnicza właściwość - splątanie kwantowe. Wyobraź sobie pudełko zawierające czerwone i niebieskie kulki. Możesz wziąć jeden bez patrzenia i włożyć go do kieszeni, a następnie wyjechać do innego miasta. Następnie wyjmij piłkę z kieszeni i przekonaj się, że jest czerwona. Od razu zrozumiesz, że w pudełku jest niebieska kula. To jest zamieszanie. W świecie kwantowym efekt ten umożliwia natychmiastowe przesyłanie informacji na duże odległości.
Kolorowe centra diamentu w laboratorium Englunda przekazują stany kwantowe elektronów, które zawierają, do fotonów poprzez splątanie, tworząc „latające kubity”, jak je nazywa Englund. W konwencjonalnej komunikacji optycznej foton może zostać przesłany do odbiorcy - w tym przypadku kolejna pusta pustka w diamencie - a jego stan kwantowy zostanie przeniesiony na nowy elektron, a więc dwa elektrony zostaną związane. Transmisja tych zaciemnionych bitów umożliwi dwóm osobom współdzielenie klucza kryptograficznego. „Każdy z nich ma ciąg zer i jedynek lub górnych i dolnych obrotów, które wydają się całkowicie przypadkowe, ale są identyczne” - mówi Englund. Używając tego klucza do szyfrowania przesyłanych danych, możesz zapewnić ich absolutne bezpieczeństwo. Jeśli ktoś będzie chciał przechwycić transmisję, nadawca będzie o tym wiedział,ponieważ czynność pomiaru stanu kwantowego zmieni go.
Englund eksperymentuje z siecią kwantową, która wysyła fotony w dół światłowodu przez jego laboratorium, obiekt na ulicy na Uniwersytecie Harvarda i inne laboratorium MIT w pobliskim mieście Lexington. Naukowcom udało się już przenieść kwantowo-kryptograficzne klucze na duże odległości - w 2017 roku chińscy naukowcy poinformowali, że przesłali taki klucz z satelity na orbicie okołoziemskiej do dwóch stacji naziemnych oddalonych o 1200 kilometrów w górach Tybetu. Jednak szybkość transmisji w chińskim eksperymencie była zbyt niska, aby umożliwić praktyczną komunikację: naukowcy zarejestrowali tylko jedną mylącą parę na sześć milionów. Innowacją, która sprawi, że kryptograficzne sieci kwantowe na Ziemi będą praktyczne, są repeatery kwantowe, urządzenia rozmieszczone w odstępach w sieci, które wzmacniają sygnał,bez zmiany jego właściwości kwantowych. Celem Englunda jest znalezienie materiałów z odpowiednimi defektami atomowymi, aby można było z nich stworzyć te kwantowe repeatery.
Sztuczka polega na stworzeniu wystarczającej liczby splątanych fotonów do przenoszenia danych. Elektron w pustce zastępowanej azotem utrzymuje swój spin wystarczająco długo - około sekundy - co zwiększa szanse, że światło lasera przejdzie przez niego i wytworzy splątany foton. Ale atom azotu jest mały i nie wypełnia przestrzeni utworzonej przez brak węgla. Dlatego kolejne fotony mogą mieć nieco inne kolory, co oznacza, że stracą swoją zgodność. Inne atomy, na przykład cyna, ściśle przylegają i tworzą stabilną długość fali. Ale nie będą w stanie utrzymać rotacji wystarczająco długo - dlatego trwają prace nad znalezieniem idealnej równowagi.
Rozdwojonych końcówek
Podczas gdy Englund i inni próbują radzić sobie z pojedynczymi elektronami, inni zanurzają się głębiej w świat kwantowy i próbują manipulować ułamkiem elektronów. Praca ta jest zakorzeniona w eksperymencie z 1982 roku, kiedy naukowcy z Bell Laboratories i Lawrence Livermore National Laboratories umieścili dwie warstwy różnych kryształów półprzewodników, schłodzili je do prawie zera absolutnego i zastosowali do nich silne pole magnetyczne, zatrzymując elektrony w płaszczyźnie między dwiema warstwami kryształów. … W ten sposób powstał rodzaj zupy kwantowej, w której ruch każdego pojedynczego elektronu był określany przez ładunki, które odczuwał od innych elektronów. „To nie są już pojedyncze cząsteczki same w sobie” - mówi Michael Manfra z Purdue University. „Wyobraź sobie balet, w którym każdy tancerz nie tylko wykonuje własne kroki,ale także reaguje na ruch partnera lub innych tancerzy. To ogólna odpowiedź”.
Dziwne w tym wszystkim jest to, że taka kolekcja może mieć ułamkowe opłaty. Elektron jest jednostką niepodzielną, nie można go przeciąć na trzy części, ale grupa elektronów w pożądanym stanie może wytworzyć tak zwaną kwazicząstkę o 1/3 ładunku. „To tak, jakby elektrony się rozpadały” - mówi Mohammed Hafezi, fizyk z Joint Quantum Institute. "To jest bardzo dziwne". Hafezi stworzył ten efekt w ultrazimnym grafenie, monatomowej warstwie węgla, a ostatnio pokazał, że może manipulować ruchem kwazicząstek, oświetlając grafen laserem. „Teraz jest monitorowany” - mówi. „Zewnętrzne guzki, takie jak pola magnetyczne i światło, mogą być manipulowane, podciągane lub uwalniane. Zmienia się charakter zbiorowej zmiany”.
Manipulacja kwazicząstkami pozwala na stworzenie specjalnego typu kubitu - kubitu topologicznego. Topologia to dział matematyki badający właściwości obiektu, które nie zmieniają się, nawet jeśli obiekt ten jest skręcony lub zdeformowany. Typowym przykładem jest pączek: gdyby był idealnie elastyczny, można go przekształcić w filiżankę do kawy, nie zmieniając niczego; Otwór w pączku odegra nową rolę w otworze w uchwycie kubka. Aby jednak zamienić pączka w precla, będziesz musiał dodać do niego nowe dziury, zmieniając jego topologię.
Kubit topologiczny zachowuje swoje właściwości nawet w zmieniających się warunkach. Zwykle cząstki zmieniają swój stan kwantowy lub „dekohere”, gdy coś w ich otoczeniu zostaje zakłócone, na przykład niewielkie wibracje wywołane ciepłem. Ale jeśli zrobisz kubit z dwóch kwazicząstek oddzielonych na pewną odległość, powiedzmy, na przeciwnych końcach nanoprzewodu, zasadniczo rozszczepisz elektron. Obie połowy musiałyby doświadczyć tego samego naruszenia, aby nastąpiła dekohere, co jest mało prawdopodobne.
Ta właściwość sprawia, że kubity topologiczne są atrakcyjne dla komputerów kwantowych. Ze względu na to, że kubit może znajdować się w superpozycji wielu stanów jednocześnie, komputery kwantowe muszą być w stanie wykonywać obliczenia, które są praktycznie niemożliwe bez nich, na przykład symulować Wielki Wybuch. Manfra zasadniczo próbuje zbudować komputery kwantowe z topologicznych kubitów w firmie Microsoft. Ale są też prostsze podejścia. Google i IBM zasadniczo próbują zbudować komputery kwantowe z przechłodzonych drutów, które stają się półprzewodnikami lub zjonizowanymi atomami w komorze próżniowej, utrzymywanymi razem przez lasery. Problem z tymi podejściami polega na tym, że są one bardziej wrażliwe na zmiany środowiskowe niż kubity topologiczne, zwłaszcza jeśli liczba kubitów rośnie.
W ten sposób kubity topologiczne mogą zrewolucjonizować naszą zdolność do manipulowania drobnymi rzeczami. Jest jednak jeden istotny problem: jeszcze ich nie ma. Badacze starają się stworzyć je z tak zwanych cząstek Majorany. Zaproponowana przez Ettore Majorana w 1937 roku ta cząstka jest własną antycząstką. Elektron i jego antycząstka, pozyton, mają identyczne właściwości, poza ładunkiem, ale ładunek cząstki Majorany będzie wynosił zero.
Naukowcy uważają, że pewne konfiguracje elektronów i dziur (bez elektronów) mogą zachowywać się jak cząstki Majorany. One z kolei mogą służyć jako kubity topologiczne. W 2012 roku fizyk Leo Kouvenhoven z Delft University of Technology w Holandii i jego koledzy zmierzyli to, co uważali za cząstki Majorany w sieci nadprzewodzących i półprzewodnikowych nanoprzewodów. Ale jedynym sposobem udowodnienia istnienia tych kwazicząstek jest stworzenie opartego na nich kubitu topologicznego.
Inni eksperci w tej dziedzinie są bardziej optymistyczni. „Myślę, że bez żadnych pytań ktoś kiedyś stworzy kubit topologiczny, tak dla zabawy” - mówi Steve Simon, teoretyk materii skondensowanej z Oxford University. „Jedyne pytanie brzmi, czy możemy uczynić z nich komputer kwantowy przyszłości”.
Komputery kwantowe - a także wysokotemperaturowe nadprzewodniki i nierozerwalne szyfrowanie kwantowe - mogą pojawić się za wiele lat lub nigdy. Ale jednocześnie naukowcy próbują rozszyfrować tajemnice przyrody w jak najmniejszej skali. Jak dotąd nikt nie wie, jak daleko mogą się posunąć. Im głębiej wnikamy w najmniejsze elementy naszego wszechświata, tym bardziej nas wypychają.
Ilya Khel