Matt Trushheim preklopi stikalo v temnem laboratoriju, močan zeleni laser pa osvetli majhen diamant, ki je nameščen pod mikroskopskim objektivom. Na računalniškem zaslonu se prikaže slika, razpršen oblak plina, posut s svetlo zelenimi pikami. Te žareče pike so majhne napake v diamantu, pri katerih sta dva atoma ogljika nadomeščena z enim atomom kositra. Laserska svetloba, ki prehaja skozi njih, prehaja iz enega odtenka zelene v drugega.
Kasneje se bo ta diamant ohladil na temperaturo tekočega helija. Z nadzorovanjem kristalne strukture diamantnega atoma po atomu, njegovo segrevanjem na nekaj stopinj nad absolutno ničlo in uporabo magnetnega polja raziskovalci v Laboratoriju za kvantno fotoniko, ki ga vodi fizik Dirk Englund iz MIT, mislijo, da lahko s tako natančnostjo izberejo kvantno-mehanske lastnosti fotonov in elektronov. da bodo lahko prenašali nezlomljive tajne kode.
Trushheim je eden izmed mnogih znanstvenikov, ki poskuša ugotoviti, kateri atomi, zaprti v kristale, pod kakšnimi pogoji jim bodo omogočili nadzor nad to ravnjo. Pravzaprav se znanstveniki po vsem svetu poskušajo naučiti, kako nadzorovati naravo na ravni atomov in spodaj, na elektrone ali celo na del elektrona. Njihov cilj je najti vozle, ki nadzorujejo temeljne lastnosti snovi in energije, ter jih zategniti ali razvozlati s spreminjanjem snovi in energije, da bi ustvarili supermočne kvantne računalnike ali superprevodnike, ki delujejo pri sobni temperaturi.
Ti znanstveniki se soočajo z dvema velikima izzivoma. Na tehnični ravni je zelo težko izvesti takšna dela. Nekateri kristali morajo biti na primer 99,99999999% čisti v vakuumskih komorah, čistejših od vesolja. Še temeljnejši izziv je, da se kvantni učinki, ki jih želijo ukrotiti znanstveniki - na primer sposobnost delca, da je hkrati v dveh stanjih, kot je Schrödingerjeva mačka, pojavijo na ravni posameznih elektronov. V makrokozmosu se ta magija sesuje. Znanstveniki morajo torej s snovjo ravnati v najmanjšem obsegu, omejene pa so z omejitvami temeljne fizike. Njihov uspeh bo določil, kako se bo naše razumevanje znanosti in tehnoloških zmožnosti spremenilo v naslednjih desetletjih.
Sanje Alkimista
Manipuliranje s snovjo je do neke mere sestavljeno iz manipulacije z elektroni. Na koncu obnašanje elektronov v snovi določa njene lastnosti kot celoto - ta snov bo kovina, prevodnik, magnet ali kaj drugega. Nekateri znanstveniki skušajo spremeniti kolektivno vedenje elektronov z ustvarjanjem kvantne sintetične snovi. Znanstveniki vidijo, kako »vzamemo izolator in ga spremenimo v kovino ali polprevodnik in nato v superprevodnik. Nemagnetni material lahko spremenimo v magnetni, «pravi fizika Eva Andrew z univerze Rutgers. "To so uresničene sanje alkimista."
In te sanje lahko vodijo do resničnih prebojev. Na primer, znanstveniki so na primer desetletja poskušali ustvariti superprevodnike, ki delujejo pri sobni temperaturi. S pomočjo teh materialov bi bilo mogoče ustvariti daljnovode, ki ne bi zapravljali energije. Leta 1957 so fiziki John Bardeen, Leon Cooper in John Robert Schrieffer pokazali, da se superprevodnost pojavi, ko se prosti elektroni v kovini, kot je aluminij, poravnajo v tako imenovanih Cooperjevih parih. Tudi če je bil relativno daleč, je vsak elektron ustrezal drugemu, z nasprotnim vrtljajem in zagonom. Tako kot pari, ki plešejo v množici v diskoteki, se seznanjeni elektroni gibljejo v koordinaciji z drugimi, tudi če drugi elektroni prehajajo med njimi.
Promocijski video:
Ta poravnava omogoča, da tok teče skozi material, ne da bi naletel na upor in zato brez izgub. Do danes razviti najbolj praktični superprevodniki morajo biti tik nad absolutno ničlo, da se ohrani to stanje. Lahko pa obstajajo izjeme.
V zadnjem času so raziskovalci ugotovili, da lahko bombardiranje materiala z visokointenzivnim laserjem, tudi na kratko, potrka elektrone v Cooperjeve pare. Andrea Cavalleri z Inštituta Max Planck za strukturo in dinamiko snovi v Hamburgu v Nemčiji je s sodelavci odkril znake fotoinducirane superprevodnosti v kovinah in izolatorjih. Zaradi svetlobe, ki udari v material, atomi zavibrirajo in elektroni za kratek čas vstopijo v stanje superprevodnosti. "Tresenje mora biti močno," pravi David Esie, fizik kondenzirane snovi s Kalifornijskega tehnološkega inštituta, ki z isto lasersko tehniko pokaže nenavadne kvantne učinke v drugih materialih. "Za trenutek električno polje postane zelo močno - vendar le za kratek čas."
Nezlomljive kode
Z manipulacijo z elektroni sta se Trushheim in Englund lotila razvoja nezlomljive kvantne enkripcije. V njihovem primeru cilj ni spreminjanje lastnosti materialov, temveč prenos kvantnih lastnosti elektronov v diamanti oblikovalcev na fotone, ki prenašajo kriptografske ključe. V barvnih centrih diamantov v Englundovem laboratoriju so prosti elektroni, katerih vrtenja je mogoče izmeriti z močnim magnetnim poljem. Spin, ki se poravna s poljem, lahko imenujemo spin 1, spin, ki se ne poravna, je spin 2, kar bi bilo enakovredno 1 in 0 v digitalnem bitu. "To je kvantni delec, zato je lahko hkrati v obeh stanjih," pravi Englund. Kvantni bit ali qubit lahko hkrati izvede veliko izračunov.
Tu se rodi skrivnostna lastnost - kvantno zapletanje. Predstavljajte si škatlo z rdečimi in modrimi kroglicami. Lahko ga vzamete, ne da bi ga pogledali, in ga položite v žep, nato pa odidete v drugo mesto. Nato vzemite žogo iz žepa in ugotovite, da je rdeča. Takoj boste razumeli, da je v škatli modra kroglica. To je zmeda. V kvantnem svetu ta učinek omogoča takojšen prenos informacij na velike razdalje.
Barvna središča v diamantu v Englundovem laboratoriju s prepletanjem prenašajo kvantna stanja elektronov, ki jih vsebujejo, na fotone in ustvarjajo "leteče kubite", kot jih imenuje Englund. V običajnih optičnih komunikacijah se lahko fotona prenese na prejemnika - v tem primeru še eno prosto praznino v diamantu - njegovo kvantno stanje pa se prenese na nov elektron, zato sta elektrona vezana. Prenos teh zamegljenih bitov bo dvema osebama omogočil skupno rabo kriptografskega ključa. "Vsak ima niz ničel in enot ali visokih in nizkih vrtljajev, ki se zdijo povsem naključni, vendar so enaki," pravi Englund. Z uporabo tega ključa za šifriranje poslanih podatkov jih lahko popolnoma zaščitite. Če nekdo želi prestreči prenos, bo pošiljatelj vedel za to,ker ga bo dejanje merjenja kvantnega stanja spremenilo.
Englund eksperimentira s kvantno mrežo, ki pošilja fotone po optičnih vlaknih skozi svoj laboratorij, objekt po cesti na univerzi Harvard in še en laboratorij MIT v bližnjem mestu Lexington. Znanstveniki so že uspeli prenesti kvantno-kriptografske ključe na velike razdalje - leta 2017 so kitajski znanstveniki poročali, da so tak ključ s satelita v zemeljski orbiti prenesli na dve zemeljski postaji, oddaljeni 1200 kilometrov narazen v gorah Tibeta. Toda bitna hitrost kitajskega eksperimenta je bila prenizka za praktične komunikacije: znanstveniki so zabeležili le en zmeden par na šest milijonov. Inovacija, s katero bodo kriptografska kvantna omrežja na zemlji postala praktična, so kvantni repetitorji, naprave, nameščene v intervalih v omrežju, ki ojačujejo signal,brez spreminjanja njegovih kvantnih lastnosti. Cilj Englunda je najti materiale z ustreznimi atomskimi napakami, da bi lahko iz njih ustvarili te kvantne repetitorje.
Trik je v ustvarjanju dovolj zapletenih fotonov za prenos podatkov. Elektron v dušiku nadomeščenem delovnem mestu ohrani svoj spin dovolj dolgo - približno sekundo -, kar poveča možnosti, da bo laserska svetloba prešla skozenj in ustvarila zapleteni foton. Toda dušikov atom je majhen in ne zapolnjuje prostora, ki ga ustvarja odsotnost ogljika. Zato so lahko zaporedni fotoni nekoliko drugačnih barv, kar pomeni, da bodo izgubili korespondenco. Drugi atomi, na primer kositer, se tesno oprimejo in ustvarijo stabilno valovno dolžino. A vrtenja ne bodo mogli zadržati dovolj dolgo - zato poteka delo, da bi našli popolno ravnovesje.
Razcepljene konice
Medtem ko se Englund in drugi poskušajo spoprijeti s posameznimi elektroni, se drugi poglobijo v kvantni svet in poskušajo manipulirati z delci elektronov. To delo temelji na poskusu leta 1982, ko so znanstveniki iz Bell Laboratories in Lawrence Livermore National Laboratories stisnili dve plasti različnih polprevodniških kristalov, jih ohladili na skoraj absolutno ničlo in nanje uporabili močno magnetno polje, ki je ujelo elektrone v ravnini med dvema plastema kristalov. … Tako je nastala nekakšna kvantna juha, v kateri so gibanje katerega koli posameznega elektrona določali naboji, ki jih je čutil od drugih elektronov. "To sami po sebi niso več posamezni delci," pravi Michael Manfra z univerze Purdue. "Predstavljajte si balet, v katerem vsak plesalec ne dela samo svojih korakov,ampak tudi reagira na gibanje partnerja ali drugih plesalcev. To je nekako splošen odgovor."
Čudno pri vsem tem je, da ima lahko takšna zbirka delne naboje. Elektron je nedeljiva enota, ni ga mogoče razrezati na tri dele, lahko pa skupina elektronov v želenem stanju ustvari tako imenovani kvazi delček z 1/3 naboja. "Kot da bi se elektroni delili," pravi Mohammed Hafezi, fizik iz Skupnega kvantnega inštituta. "Zelo čudno je." Hafezi je ta učinek ustvaril v ultrahladnem grafenu, monatomskem sloju ogljika, in nedavno je pokazal, da lahko manipulira gibanje kvazidelcev tako, da grafen osvetli z laserjem. "Zdaj je pod nadzorom," pravi. »Z zunanjimi vozlički, kot so magnetna polja in svetloba, je mogoče manipulirati, jih povleči ali razvezati. Narava kolektivnih sprememb se spreminja."
Manipulacija s kvazidelci vam omogoča, da ustvarite posebno vrsto kubita - topološki kubit. Topologija je veja matematike, ki preučuje lastnosti predmeta, ki se ne spremenijo, tudi če je predmet zvit ali deformiran. Tipičen primer je krof: če bi bil popolnoma elastičen, bi ga lahko preoblikovali v skodelico za kavo, ne da bi kaj bistveno spremenili; luknja v krofu bo imela novo vlogo v luknji na ročaju skodelice. Če želite krof spremeniti v perec, mu morate dodati nove luknje in spremeniti njegovo topologijo.
Topološki kubit ohrani svoje lastnosti tudi v spremenljivih pogojih. Običajno delci spremenijo svoja kvantna stanja ali "dekohere", kadar je nekaj v njihovem okolju moteno, na primer majhne vibracije, ki jih povzroča toplota. Če pa naredite kubit iz dveh kvazidelcev, ločenih z neko razdaljo, recimo na nasprotnih koncih nanožice, v bistvu razcepite elektron. Obe polovici bi morali doživeti enako kršitev, da bi se odstranili, kar pa se verjetno ne bo zgodilo.
Zaradi te lastnosti so topološki kubiti privlačni za kvantne računalnike. Zaradi sposobnosti qubita, da je hkrati v superpoziciji številnih stanj, morajo biti kvantni računalniki sposobni izvajati izračune, ki so brez njih praktično nemogoči, na primer za simulacijo Velikega poka. Manfra v bistvu poskuša zgraditi kvantne računalnike iz topoloških kubitov pri Microsoftu. Obstajajo pa tudi preprostejši pristopi. Google in IBM v bistvu poskušata zgraditi kvantne računalnike iz prehlajenih žic, ki postanejo polprevodniki ali ionizirani atomi v vakuumski komori, ki jih držijo laserji. Težava teh pristopov je, da so bolj občutljivi na okoljske spremembe kot topološki kubiti, še posebej, če število kubitov narašča.
Tako lahko topološki kubiti revolucionirajo našo sposobnost manipulacije z drobnimi stvarmi. Vendar obstaja en pomemben problem: še ne obstajajo. Raziskovalci se trudijo, da bi jih ustvarili iz tako imenovanih delcev Majorane. Ta delec, ki ga je leta 1937 predlagal Ettore Majorana, je lasten antidelec. Elektron in njegov antidelec, pozitron, imata enake lastnosti, razen naboja, toda naboj delca Majorane bo enak nič.
Znanstveniki verjamejo, da se lahko določene konfiguracije elektronov in lukenj (brez elektronov) obnašajo kot delci Majorane. Ti pa se lahko uporabljajo kot topološki kubiti. Leta 2012 so fizik Leo Kouvenhoven z nizozemske tehnološke univerze Delft in njegovi kolegi v mreži superprevodnih in polprevodniških nanožic izmerili delce Majorane, ki so se jim zdeli. Toda edini način, da dokažemo obstoj teh kvazidelcev, je ustvariti topološki kubit, ki temelji na njih.
Drugi strokovnjaki na tem področju so bolj optimistični. "Mislim, da bo nekdo brez vprašanj nekoč ustvaril topološki kubit, samo za zabavo," pravi Steve Simon, teoretik zgoščene snovi na univerzi Oxford. "Edino vprašanje je, ali lahko iz njih naredimo kvantni računalnik prihodnosti."
Kvantni računalniki - kot tudi visokotemperaturni superprevodniki in nezlomljivo kvantno šifriranje - se lahko pojavijo ali pa tudi ne že čez mnogo let. A hkrati znanstveniki poskušajo v najmanjšem merilu razvozlati skrivnosti narave. Zaenkrat še nihče ne ve, kako daleč lahko gredo. Globlje kot prodremo v najmanjše sestavne dele našega vesolja, bolj nas potisnejo ven.
Ilya Khel