Мат Трушайм превключва превключвателя в тъмната лаборатория и мощен зелен лазер осветява малък диамант, задържан на място под обектива на микроскопа. На екрана на компютъра се появява изображение, дифузен облак от газ, осеян с яркозелени точки. Тези светещи точки са малки дефекти в диаманта, при които два въглеродни атома са заменени от един калаен атом. Лазерната светлина, преминаваща през тях, преминава от един нюанс на зелено в друг.
По-късно този диамант ще бъде охладен до температурата на течния хелий. Чрез контролиране на кристалната структура на диамантен атом по атом, довеждането му до няколко градуса над абсолютната нула и прилагането на магнитно поле, изследователите от лабораторията за квантова фотоника, водени от физика Дирк Енглунд от MIT, смятат, че могат да избират квантово-механичните свойства на фотоните и електроните с такава точност. че ще могат да прехвърлят нерушими тайни кодове.
Трушхайм е един от многото учени, които се опитват да разберат кои атоми, затворени в кристали, при какви условия ще им позволят да получат контрол над това ниво. Всъщност учените по целия свят се опитват да се научат как да контролират природата на нивото на атомите и по-долу, на електроните или дори на част от електрона. Целта им е да намерят възлите, които контролират основните свойства на материята и енергията, и да затегнат или разплитат тези възли чрез промяна на материята и енергията, за да създадат свръхмощни квантови компютри или свръхпроводници, които работят при стайна температура.
Тези учени са изправени пред две основни предизвикателства. На техническо ниво е много трудно да се извърши такава работа. Някои кристали, например, трябва да са 99,99999999% чисти във вакуумни камери, чисти от пространството. Още по-фундаментално предизвикателство е, че квантовите ефекти, които учените искат да ограничат - например способността на частицата да бъде едновременно в две състояния, като котката на Шрьодингер, се появяват на нивото на отделни електрони. В макрокосмоса тази магия се срива. Следователно учените трябва да манипулират материята в най-малкия мащаб и те са ограничени от границите на фундаменталната физика. Техният успех ще определи как нашето разбиране за науката и технологичните възможности ще се промени през следващите десетилетия.
Мечтата на алхимика
Манипулирането на материята до известна степен се състои в манипулиране на електрони. В крайна сметка поведението на електроните в дадено вещество определя неговите свойства като цяло - това вещество ще бъде метал, проводник, магнит или нещо друго. Някои учени се опитват да променят колективното поведение на електроните, като създават квантово синтетично вещество. Учените виждат как „ние вземаме изолатор и го превръщаме в метал или полупроводник и след това в свръхпроводник. Можем да превърнем немагнитния материал в магнитен “, казва физикът Ева Андрю от университета Рутгерс. "Това е сбъдната мечта на алхимик."
И тази мечта може да доведе до истински пробиви. Например учените се опитват в продължение на десетилетия да създават свръхпроводници, които работят при стайна температура. С помощта на тези материали би било възможно да се създадат електропроводи, които не губят енергия. През 1957 г. физиците Джон Бардийн, Леон Купър и Джон Робърт Шрифер демонстрират, че свръхпроводимостта възниква, когато свободните електрони в метал като алуминий се подредят в така наречените двойки Купър. Дори да е относително далеч, всеки електрон съответства на друг, с обратното въртене и импулс. Подобно на двойки, танцуващи в тълпа в дискотека, сдвоените електрони се движат в координация с другите, дори ако други електрони преминават между тях.
Промоционално видео:
Това подравняване позволява на тока да тече през материала, без да среща съпротивление и следователно без загуби. Най-практичните свръхпроводници, разработени до момента, трябва да бъдат при температури малко над абсолютната нула, за да може това състояние да продължи. Възможно е обаче да има и изключения.
Наскоро изследователите установиха, че бомбардирането на материал с високоинтензивен лазер също може да разбие електрони в двойки на Купър, макар и за кратко. Андреа Кавалери от Института за структура и динамика на материята „Макс Планк“в Хамбург, Германия, и колегите му откриха признаци на фотоиндуцирана свръхпроводимост в метали и изолатори. Светлината, удряща материала, кара атомите да вибрират и електроните за кратко влизат в състояние на свръхпроводимост. „Разклащането трябва да е ожесточено“, казва Дейвид Изи, физик на кондензираната материя от Калифорнийския технологичен институт, който използва същата лазерна техника, за да прояви необичайни квантови ефекти в други материали. "За момент електрическото поле става много силно - но само за кратко."
Нечупливи кодове
Контролът на електроните е начинът, по който Трушхайм и Енглунд се стремят да разработят нечупливо квантово криптиране. В техния случай целта не е да се променят свойствата на материалите, а да се прехвърлят квантовите свойства на електроните в дизайнерските диаманти към фотони, които предават криптографски ключове. Цветните центрове на диамантите в лабораторията на Englund съдържат свободни електрони, чиито завъртания могат да бъдат измерени с помощта на силно магнитно поле. Спин, който се подравнява с полето, може да се нарече спин 1, спин, който не е подравнен, е спин 2, който е еквивалентен на 1 и 0 в цифровия бит. "Това е квантова частица, така че може да бъде и в двете състояния едновременно", казва Енглунд. Квантовият бит или кубит е способен да извършва много изчисления едновременно.
Тук се ражда мистериозно свойство - квантово заплитане. Представете си кутия, съдържаща червени и сини топки. Можете да вземете един, без да гледате и да го приберете в джоба си, а след това да заминете за друг град. След това извадете топката от джоба си и установете, че е червена. Веднага ще разберете, че в кутията има синя топка. Това е объркване. В квантовия свят този ефект позволява мигновено предаване на информация и на големи разстояния.
Цветните центрове в диаманта в лабораторията на Енглунд предават квантовите състояния на електроните, които се съдържат, на фотони чрез заплитане, създавайки "летящи кубити", както ги нарича Енглунд. При конвенционалните оптични комуникации фотон може да бъде предаден на получателя - в този случай друга свободна празнота в диаманта - и квантовото му състояние ще бъде прехвърлено на нов електрон, така че двата електрона са свързани. Предаването на тези замъглени битове ще позволи на двама души да споделят криптографския ключ. „Всеки има низ от нули и единици, или високи и ниски завъртания, които изглеждат напълно случайни, но те са идентични“, казва Енглунд. Използвайки този ключ за криптиране на предадените данни, можете да ги направите абсолютно сигурни. Ако някой иска да прихване предаването, подателят ще знае за това,защото актът на измерване на квантовото състояние ще го промени.
Енглунд експериментира с квантова мрежа, която изпраща фотони по оптични влакна през лабораторията си, обект по пътя в Харвардския университет и друга лаборатория на MIT в близкия Лексингтън. Учените вече са успели да прехвърлят квантово-криптографски ключове на големи разстояния - през 2017 г. китайски учени съобщават, че са прехвърлили такъв ключ от сателит в земната орбита на две наземни станции на разстояние 1200 километра в планините на Тибет. Но битрейтът на китайския експеримент беше твърде нисък за практическа комуникация: учените записаха само една объркваща двойка от шест милиона. Иновация, която ще направи криптографските квантови мрежи на земята практични, са квантовите повторители, устройства, поставени на интервали в мрежата, които усилват сигнала,без да променя своите квантови свойства. Целта на Енглунд е да намери материали с подходящи атомни дефекти, така че тези квантови повторители да могат да бъдат създадени от тях.
Номерът е да се създадат достатъчно заплетени фотони, които да носят данните. Електрон в азот-заместена ваканция поддържа въртенето си достатъчно дълго - около секунда - което увеличава шансовете лазерната светлина да премине през него и да създаде заплетен фотон. Но азотният атом е малък и не запълва пространството, създадено от липсата на въглерод. Следователно последователните фотони могат да бъдат с малко по-различни цветове, което означава, че ще загубят съответствието си. Други атоми, например калай, се прилепват плътно и създават стабилна дължина на вълната. Но те няма да могат да задържат завъртането достатъчно дълго - следователно се работи за намиране на перфектния баланс.
Разделянето свършва
Докато Енглунд и други се опитват да се справят с отделни електрони, други се гмуркат по-дълбоко в квантовия свят и се опитват да манипулират фракцията на електроните. Тази работа се корени в експеримент през 1982 г., когато учените от Bell Laboratories и Lawrence Livermore National Laboratories поставят два слоя различни полупроводникови кристали, охлаждат ги до абсолютна нула и прилагат силно магнитно поле към тях, улавяйки електрони в равнина между два слоя кристали. … По този начин се образува един вид квантова супа, при която движението на всеки отделен електрон се определя от зарядите, които той усеща от други електрони. „Това вече не са отделни частици сами по себе си“, казва Майкъл Манфра от университета Пърдю. „Представете си балет, в който всеки танцьор не само прави своите стъпки,но също така реагира на движението на партньор или други танцьори. Това е нещо като общ отговор."
Странното във всичко това е, че подобна колекция може да има частични заряди. Електронът е неделима единица, той не може да бъде разрязан на три части, но група електрони в желаното състояние може да произведе така наречената квазичастица с 1/3 от заряда. "Все едно електроните се разделят", казва Мохамед Хафези, физик от Съвместния квантов институт. „Много е странно“. Хафези създава този ефект в ултра студен графен, едноатомен слой от въглерод, и наскоро показа, че може да манипулира движението на квазичастици, като осветява графен с лазер. „Сега се следи“, казва той. „Външните възли като магнитни полета и светлина могат да бъдат манипулирани, изтеглени или развързани. Естеството на колективните промени се променя."
Квазичастичната манипулация ви позволява да създадете специален тип кубит - топологичен кубит. Топологията е клон на математиката, който изучава свойствата на обект, които не се променят, дори ако този обект е усукан или деформиран. Типичен пример е поничка: ако беше идеално еластична, можеше да се прекрои в чаша за кафе, без да се променя много; дупката в поничката ще играе нова роля в дупката в дръжката на чашата. Въпреки това, за да превърнете поничка в геврек, ще трябва да добавите нови дупки към нея, като промените нейната топология.
Топологичният кубит запазва свойствата си дори при променящи се условия. Обикновено частиците сменят квантовите си състояния или „декохере“, когато нещо в тяхната среда е нарушено, като например малки вибрации, причинени от топлина. Но ако направите кубит от две квазичастици, разделени на известно разстояние, да речем, в противоположните краища на нанопровод, вие по същество разделяте електрон. И двете половини ще трябва да претърпят едно и също нарушение, за да се откачат, което е малко вероятно.
Това свойство прави топологичните кубити привлекателни за квантовите компютри. Поради способността на един кубит да бъде едновременно в суперпозиция на много състояния, квантовите компютри трябва да могат да извършват изчисления, които са практически невъзможни без тях, например да симулират Големия взрив. Manfra по същество се опитва да изгради квантови компютри от топологични кубити в Microsoft. Но има и по-прости подходи. Google и IBM по същество се опитват да създадат квантови компютри от преохладени проводници, които се превръщат в полупроводници или йонизирани атоми във вакуумна камера, държани заедно от лазери. Проблемът с тези подходи е, че те са по-чувствителни към промените в околната среда, отколкото топологичните кубити, особено ако броят на кубитите расте.
По този начин топологичните кубити могат да революционизират способността ни да манипулираме малките неща. Има обаче един съществен проблем: те все още не съществуват. Изследователите се борят да ги създадат от така наречените частици Majorana. Предложена от Ettore Majorana през 1937 г., тази частица е собствена античастица. Електронът и неговата античастица, позитронът, имат идентични свойства, с изключение на заряда, но зарядът на частицата Majorana ще бъде нула.
Учените вярват, че определени конфигурации на електрони и дупки (без електрони) могат да се държат като частици Majorana. Те от своя страна могат да се използват като топологични кубити. През 2012 г. физикът Лео Кувенховен от Техническия университет в Делфт в Холандия и колегите му измерваха частици от майорана, които според тях бяха в мрежа от свръхпроводящи и полупроводникови нанопроводи. Но единственият начин да се докаже съществуването на тези квазичастици е да се създаде топологичен кубит въз основа на тях.
Други експерти в тази област са по-оптимистични. „Мисля, че без никакви въпроси някой ден ще създаде топологичен кубит, просто за забавление“, казва Стив Саймън, теоретик на кондензираната материя в Оксфордския университет. "Единственият въпрос е дали можем да направим от тях квантовия компютър на бъдещето."
Квантовите компютри - както и високотемпературните свръхпроводници и нечупливото квантово криптиране - могат или не могат да се появят след много години. Но в същото време учените се опитват да разгадаят мистериите на природата в най-малкия мащаб. Засега никой не знае докъде могат да стигнат. Колкото по-дълбоко проникваме в най-малките компоненти на нашата Вселена, толкова повече те ни изтласкват.
Иля Хел