Mattas Trushheimas apjungia jungiklį tamsioje laboratorijoje, o galingas žalias lazeris apšviečia mažą deimantą, laikomą vietoje po mikroskopo objektyvu. Kompiuterio ekrane pasirodo vaizdas - difuzinis dujų debesis, nuspalvintas ryškiai žaliais taškais. Šie švytintys taškai yra nedideli defektai deimanto viduje, kuriuose du anglies atomai pakeičiami vienu alavo atomu. Pro juos praeinanti lazerio šviesa pereina iš vieno žalio atspalvio į kitą.
Vėliau šis deimantas bus atvėsintas iki skysto helio temperatūros. Atomu valdydami deimanto atomo kristalinę struktūrą, pakeldami ją iki kelių laipsnių virš absoliutaus nulio ir pritaikydami magnetinį lauką, Kvantinės fotonikos laboratorijos mokslininkai, vadovaujami fiziko Dirko Englundo iš MIT, mano, kad jie gali taip tiksliai pasirinkti fotonų ir elektronų kvantines mechanines savybes. kad jie galės perduoti nesulaužomus slaptus kodus.
Trushheimas yra vienas iš daugelio mokslininkų, kurie bando išsiaiškinti, kurie atomai, užsidarę kristaluose, kokiomis sąlygomis leis jiems kontroliuoti šį lygį. Tiesą sakant, viso pasaulio mokslininkai bando išmokti valdyti gamtą atomų lygyje ir žemiau, pasiekti elektronus ar net jų dalį. Jų tikslas yra surasti mazgus, kurie valdo pagrindines materijos ir energijos savybes, ir sugriežtina arba atriša šiuos mazgus keisdami materiją ir energiją, sukurti itin galingus kvantinius kompiuterius ar superlaidininkus, veikiančius kambario temperatūroje.
Šie mokslininkai susiduria su dviem pagrindiniais iššūkiais. Techniniu lygmeniu labai sunku atlikti tokius darbus. Pavyzdžiui, kai kurie kristalai turi būti 99,9999999999% grynumo vakuuminėse kamerose, švaresni nei erdvė. Dar svarbesnis iššūkis yra tas, kad kvantiniai efektai, kuriuos mokslininkai nori pažaboti, pavyzdžiui, dalelės galimybė vienu metu būti dviejose būsenose, kaip ir Schrödingerio katė, atsiranda atskirų elektronų lygyje. Makrokosmose ši magija žlunga. Todėl mokslininkams tenka mažiausiomis medžiagomis manipuliuoti, ir juos riboja pagrindinės fizikos ribos. Jų sėkmė nulems, kaip pasikeis mūsų supratimas apie mokslą ir technologines galimybes per ateinančius dešimtmečius.
Alchemiko svajonė
Medžiagos manipuliavimas tam tikru mastu susideda iš manipuliavimo elektronais. Galų gale elektronų elgesys medžiagoje lemia jos savybes kaip visumą - ši medžiaga bus metalas, laidininkas, magnetas ar dar kažkas. Kai kurie mokslininkai bando pakeisti kolektyvinį elektronų elgesį, sukurdami kvantinę sintetinę medžiagą. Mokslininkai mato, kaip „mes paimame izoliatorių ir paverčiame jį metalu ar puslaidininkiu, o tada superlaidininku. Nemagnetinę medžiagą galime paversti magnetine “, - sako fizikė Eva Andrew iš Rutgerso universiteto. - Tai alchemiko svajonė, kuri išsipildė.
Ir ši svajonė gali sukelti tikrus proveržius. Pavyzdžiui, mokslininkai dešimtmečius bandė sukurti superlaidininkus, kurie veiktų kambario temperatūroje. Naudojant šias medžiagas, būtų galima sukurti energijos nešvaistančias elektros linijas. 1957 m. Fizikai Johnas Bardeenas, Leonas Cooperis ir Johnas Robertas Schriefferis parodė, kad superlaidumas atsiranda, kai laisvieji elektronai tokiame metale kaip aliuminis sutampa su vadinamosiomis Cooperio poromis. Net būdamas palyginti toli, kiekvienas elektronas atitiko kitą, turėdamas priešingą sukimąsi ir impulsą. Kaip poros, šokančios minioje diskotekoje, suporuoti elektronai juda kartu su kitais, net jei kiti elektronai praeina tarp jų.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Šis išlyginimas leidžia srovei tekėti per medžiagą nesusiduriant su pasipriešinimu ir todėl be nuostolių. Praktiškiausi iki šiol sukurti superlaidininkai turi būti temperatūroje, šiek tiek aukštesnėje už absoliučią nulį, kad ši būsena išliktų. Tačiau gali būti ir išimčių.
Neseniai mokslininkai nustatė, kad bombarduojant medžiagą didelio intensyvumo lazeriu, elektronai taip pat gali būti sutrupinti į Cooperio poras, nors ir trumpai. Andrea Cavalleri iš Maxo Plancko medžiagos struktūros ir dinamikos instituto Hamburge (Vokietija) ir jo kolegos rado fotoindukuoto metalų ir izoliatorių superlaidumo požymių. Į medžiagą smogianti šviesa priverčia atomus virpėti, o elektronai trumpam patenka į superlaidumo būseną. „Purtymas turi būti nuožmus“, - sako Kalifornijos technologijos instituto kondensuotų medžiagų fizikas Davidas Esie, kuris ta pačia lazerio technika naudoja neįprastus kvantinius efektus kitose medžiagose. "Akimirką elektrinis laukas tampa labai stiprus - bet tik trumpam".
Nepalaužiami kodai
Kontroliuojant elektronus Trushheimas ir Englundas nusprendė sukurti nepalaužiamą kvantinį šifravimą. Jų atveju tikslas yra ne pakeisti medžiagų savybes, o perkelti dizainerių briliantuose esančių elektronų kvantines savybes į fotonus, perduodančius kriptografinius raktus. Deimantų spalvų centruose Englundo laboratorijoje yra laisvųjų elektronų, kurių sukinius galima išmatuoti naudojant stiprų magnetinį lauką. Sukimasis, kuris susilygina su lauku, gali būti vadinamas sukimu 1, sukimasis, kuris nesutampa, yra sukimas 2, kuris skaitmeniniame bite atitiktų 1 ir 0. „Tai yra kvantinė dalelė, todėl ji gali būti abiejose būsenose vienu metu“, - sako Englundas. Kvantinis bitas arba kubitas vienu metu gali atlikti daugybę skaičiavimų.
Čia gimsta paslaptinga nuosavybė - kvantinis susipynimas. Įsivaizduokite dėžutę su raudonais ir mėlynais kamuoliukais. Galite pasiimti vieną nežiūrėdami ir įsikišti į kišenę, tada išvykti į kitą miestą. Tada išimkite kamuolį iš kišenės ir sužinokite, kad jis yra raudonas. Iš karto suprasite, kad dėžutėje yra mėlynas rutulys. Tai yra painiava. Kvantiniame pasaulyje šis efektas leidžia informaciją perduoti akimirksniu ir dideliais atstumais.
Spalvoti centrai deimante Englundo laboratorijoje persipainiodami perduoda juose esančių elektronų kvantines būsenas fotonams, sukurdami „skraidančius kubitus“, kaip Englundas juos vadina. Įprastoje optinėje komunikacijoje fotonas gali būti perduotas gavėjui - šiuo atveju kita laisva deimanto tuštuma - ir jo kvantinė būsena bus perkelta į naują elektroną, taigi abu elektronai yra surišti. Perduodami šiuos sugadintus bitus du žmonės galės dalytis kriptografiniu raktu. "Kiekvienas turi eilutę nulių ir vienetų, arba aukštų ir žemų sukimų, kurie atrodo visiškai atsitiktiniai, tačiau jie yra identiški", - sako Englundas. Naudodami šį raktą perkoduotiems duomenims užšifruoti, galite juos visiškai apsaugoti. Jei kas nors nori perimti perdavimą, siuntėjas apie tai sužinos,nes kvantinės būsenos matavimo veiksmas ją pakeis.
Englundas eksperimentuoja su kvantiniu tinklu, kuris per savo laboratoriją, Harvardo universiteto kelyje esantį objektą ir kitą MIT laboratoriją gretimame Leksingtono mieste siunčia fotonus optiniu pluoštu. Mokslininkams jau pavyko pernešti kvantinius-kriptografinius raktus dideliais atstumais - 2017 m. Kinijos mokslininkai pranešė, kad jie perdavė tokį raktą iš palydovo Žemės orbitoje į dvi antžemines stotis, esančias 1200 kilometrų atstumu Tibeto kalnuose. Tačiau Kinijos eksperimento pralaidumas buvo per mažas praktiniam bendravimui: mokslininkai užfiksavo tik vieną painią porą iš šešių milijonų. Naujovė, dėl kurios kriptografiniai kvantiniai tinklai žemėje bus praktiški, yra kvantiniai kartotuvai, įtaisai, išdėstyti tinklo intervalais, stiprinantys signalą,nekeičiant jo kvantinių savybių. Englundo tikslas yra rasti medžiagų su tinkamais atominiais defektais, kad iš jų būtų galima sukurti šiuos kvantinius kartotuvus.
Apgaulė yra sukurti pakankamai susipynusių fotonų duomenims perkelti. Elektronas, esantis laisvoje azoto pakaitale, išlaiko savo sukimąsi pakankamai ilgai - maždaug per sekundę - tai padidina tikimybę, kad lazerio šviesa praeis pro jį ir sukurs susipynusį fotoną. Bet azoto atomas yra mažas ir neužpildo erdvės, kurią sukelia anglies nebuvimas. Todėl vienas po kito einantys fotonai gali būti šiek tiek skirtingų spalvų, o tai reiškia, kad jie praras savo korespondenciją. Pavyzdžiui, kiti atomai, alavas, tvirtai laikosi ir sukuria stabilų bangos ilgį. Bet jie negalės pakankamai ilgai išlaikyti sukimo - todėl stengiamasi rasti tobulą pusiausvyrą.
Suskilinėję galiukai
Kol Englundas ir kiti bando susitvarkyti su atskirais elektronais, kiti neria giliau į kvantinį pasaulį ir bando manipuliuoti elektronų dalimi. Šis darbas yra pagrįstas 1982 m. Eksperimentu, kai Bell Laboratories ir Lawrence Livermore National Laboratories mokslininkai sujungė du skirtingų puslaidininkių kristalų sluoksnius, atvėsino juos iki beveik absoliutaus nulio ir pritaikė jiems stiprų magnetinį lauką, sulaikydami elektronus plokštumoje tarp dviejų kristalų sluoksnių. … Taigi susidarė savotiška kvantinė sriuba, kurioje bet kurio atskiro elektrono judėjimą nulėmė krūviai, kuriuos jis jautė iš kitų elektronų. „Tai jau nėra atskiros dalelės savaime“, - sako Michaelas Manfra iš Purdue universiteto. Įsivaizduokite baletą, kuriame kiekvienas šokėjas ne tik daro savo žingsnius,bet ir reaguoja į partnerio ar kitų šokėjų judėjimą. Tai savotiškas bendras atsakymas “.
Visa tai keista tai, kad tokia kolekcija gali turėti dalinius krūvius. Elektronas yra nedalomas vienetas, jo negalima suskaidyti į tris dalis, tačiau norimos būsenos elektronų grupė gali pagaminti vadinamąją kvazidalelę su 1/3 įkrovos. „Tarsi elektronai būtų skaidomi“, - sako Jungtinio kvantinio instituto fizikas Mohammedas Hafezi. „Tai labai keista“. Hafezi sukūrė šį efektą ultracold grafene, monatominiame anglies sluoksnyje, ir neseniai parodė, kad jis gali manipuliuoti kvazidalelių judesiu apšvietęs grafeną lazeriu. „Dabar tai stebima“, - sako jis. „Išorinius mazgelius, tokius kaip magnetiniai laukai ir šviesa, galima manipuliuoti, ištraukti arba nesurišti. Kolektyvinių pokyčių pobūdis keičiasi “.
Manipuliavimas su kvazidalelėmis leidžia jums sukurti specialų tipą - topologinę. Topologija yra matematikos šaka, tirianti objekto savybes, kurios nesikeičia, net jei tas objektas yra susuktas ar deformuotas. Tipiškas pavyzdys yra spurga: jei ji būtų visiškai elastinga, ją būtų galima pertvarkyti į kavos puodelį, nieko daug nekeičiant; skylutė spurgoje atliks naują vaidmenį skylėje puodelio rankenoje. Tačiau, kad spurgą paverstų pretzeliu, turėsite į ją įdėti naujų skylių, pakeisdami jos topologiją.
Topologinė kubita išlaiko savo savybes net kintančiomis sąlygomis. Paprastai dalelės keičia savo kvantines būsenas arba „dekohere“, kai kažkas jų aplinkoje yra sutrikdyta, pavyzdžiui, mažos šilumos sukeliamos vibracijos. Bet jei jūs padarote kubitą iš dviejų kvazidalelių, atskirtų tam tikru atstumu, tarkim, priešinguose nanovielės galuose, jūs iš esmės skaidote elektroną. Abi pusės turėtų patirti tą patį pažeidimą, kad išsisuktų, o tai vargu ar įvyks.
Ši savybė daro topologinius kubitus patrauklius kvantiniams kompiuteriams. Dėl to, kad kvitai gali vienu metu būti daugelio valstybių superpozicijoje, kvantiniai kompiuteriai turi sugebėti atlikti skaičiavimus, kurių be jų praktiškai neįmanoma, pavyzdžiui, imituoti Didįjį sprogimą. „Manfra“iš esmės bando sukurti „Microsoft“kvantinius kompiuterius iš topologinių kubitų. Tačiau yra ir paprastesnių būdų. „Google“ir IBM iš esmės bando sukurti kvantinius kompiuterius, pagrįstus peraukštintais laidais, kurie tampa puslaidininkiais arba jonizuotais atomais vakuuminėje kameroje, kurią laiko lazeriai. Šių požiūrių problema yra ta, kad jie yra jautresni aplinkos pokyčiams nei topologiniai kubitai, ypač jei kubitų skaičius auga.
Taigi topologiniai kubitai gali pakeisti mūsų sugebėjimą manipuliuoti mažais dalykais. Tačiau yra viena reikšminga problema: jų dar nėra. Mokslininkai stengiasi juos sukurti iš vadinamųjų „Majorana“dalelių. Pasiūlyta Ettore Majorana 1937 m., Ši dalelė yra jos pačios dalelė. Elektronas ir jo dalelė, pozitronas, turi identiškas savybes, išskyrus krūvį, tačiau „Majorana“dalelės krūvis bus lygus nuliui.
Mokslininkai mano, kad tam tikros elektronų ir skylių konfigūracijos (be elektronų) gali elgtis kaip „Majorana“dalelės. Savo ruožtu juos galima naudoti kaip topologinius kubitus. 2012 m. Fizikas Leo Kouvenhovenas iš Delfto technologijos universiteto Nyderlanduose ir jo kolegos superlaidžių ir puslaidininkių nanovielių tinkle išmatavo, jų manymu, „Majorana“daleles. Tačiau vienintelis būdas įrodyti šių kvazidalelių egzistavimą yra sukurti jomis pagrįstą topologinę kubitą.
Kiti šios srities ekspertai yra optimistiškesni. "Manau, kad be klausimų kažkas vieną dieną sukurs topologinę kubitą tik savo malonumui", - sako Steve'as Simonas, Oksfordo universiteto sutirštintų medžiagų teoretikas. "Vienintelis klausimas yra tai, ar galime iš jų padaryti ateities kvantinį kompiuterį."
Kvantiniai kompiuteriai, taip pat aukštos temperatūros superlaidininkai ir nesulaužomas kvantinis šifravimas gali pasirodyti po daugelio metų. Tačiau tuo pačiu metu mokslininkai bando kuo mažiau iššifruoti gamtos paslaptis. Kol kas niekas nežino, kiek jie gali nueiti. Kuo giliau prasiskverbiame į mažiausius visatos komponentus, tuo labiau jie mus išstumia.
Ilja Khelis