Quanto è difficile conquistare la natura quantistica della materia?

Matt Трушейм include interruttore nel buio del laboratorio, e un potente laser verde evidenzia un piccolo diamante, attesa sul posto sotto la lente del microscopio. Sullo schermo del computer appare l'immagine, diffusa a gas nuvola, tempestato di brillanti punti verdi. Questi punti luminosi — piccoli difetti all'interno del diamante, in cui due atomi di carbonio è sostituito da un atomo di stagno. La luce del laser, passando attraverso di loro, si passa da una tonalità di verde in un altro.

Più Tardi questo diamante sarà raffreddato fino alla temperatura dell'elio liquido. Controllando la struttura cristallina del diamante atomo per atomo, portandolo fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto e l'applicazione di un campo magnetico, i ricercatori del Laboratorio di fotonica quantistica, sotto la guida di fisica Dirce Энглунда al Mit pensano che possono con tale precisione selezionare le proprietà della meccanica quantistica di fotoni e di elettroni, che riescono a trasmettere невзламываемые codici segreti.

Трушейм — uno dei tanti scienziati che cercano di capire quali sono gli atomi, i detenuti in cristalli, in quali condizioni permettono loro di ottenere il controllo di questo livello. Infatti, gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di imparare a gestire la natura a livello di atomi e di seguito, prima di elettroni o anche la quota dell'elettrone. Il loro obiettivo è quello di trovare i siti che gestiscono le proprietà fondamentali di materia e di energia, e stringere o districare i nodi, modificando la sostanza e l'energia, creare resistenti computer quantistici o superconduttori che lavorano a temperatura ambiente.

Gli scienziati devono affrontare due problemi principali. A livello tecnico di effettuare tale lavoro è molto difficile. Alcuni cristalli, ad esempio, devono essere al 99,99999999% pulito nella camera da vuoto più pulito di spazio. Ancora più fondamentale compito che effetti quantistici, che vogliono frenare gli scienziati, ad esempio, la capacità di particelle di trovarsi in due stati contemporaneamente, come il gatto di Schrödinger — si manifestano a livello di singoli elettroni. In макромире questa magia si blocca. Di conseguenza, gli scienziati devono manipolare la sostanza in grande scala, e sono limitate al di fuori della fisica fondamentale. Dal loro successo dipende, come cambierà la nostra comprensione della scienza e della tecnologia di opportunità nei decenni a venire.

il Sogno dell'alchimista

La Manipolazione di una sostanza, in una certa misura, consiste nella gestione di elettroni. Alla fine, il comportamento degli elettroni in sostanza determina la sua proprietà in generale — è una sostanza metallo, un conduttore, un magnete o qualcos'altro. Alcuni scienziati stanno cercando di cambiare il comportamento collettivo di elettroni, creando quantico una sostanza sintetica. Gli scienziati vedono come «prendiamo isolante e la convertono in metallo o semiconduttore, e poi in un superconduttore. Siamo in grado di trasformare il materiale non magnetico magnetico», dice il fisico Eva Andrea dalla Rutgers University. «È la realizzazione di un sogno dell'alchimista».

E questo sogno può portare a un vero innovazioni. Per esempio, gli scienziati per decenni hanno cercato di creare superconduttori che lavorano a temperatura ambiente. Con questi materiali si potrebbe creare linee elettriche, non perdono energia. Nel 1957 fisica John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Шриффер hanno dimostrato che la superconduttività appare quando gli elettroni liberi in un metallo come alluminio in linea nelle cosiddette coppie di Cooper. Pur essendo relativamente lontano, ogni elettrone è comparabile a un altro, che ha opposto un giro e l'impulso. Come coppia, ballare in mezzo alla folla in discoteca, accoppiati gli elettroni si muovono in coordinamento con gli altri anche se gli altri gli elettroni passano tra di loro.

Questo allineamento consente alla corrente di fluire attraverso il materiale, senza incontrare resistenza, e quindi senza perdita di dati. Le pratiche superconduttori, progettati a questo punto, dovrebbe essere ad una temperatura di poco sopra lo zero assoluto, per questo è stato mantenuto. Tuttavia, .

Recentemente, i ricercatori hanno scoperto che обстреливание materiale высокоинтенсивным laser può anche abbattere gli elettroni in куперовские coppia, anche se per un po'. Andrea Cavalleri, Istituto di struttura e dinamica della materia Max Planck di Amburgo, in Germania, e i suoi colleghi hanno trovato segni di фотоиндуцированной superconduttività in metalli e centri di detenzione. La luce, colpendo il materiale, fa gli atomi vibrano, e gli elettroni per un po ' sono in uno stato di superconduttività. «Shake-up deve essere feroce», dice David Эси, fisico condensato di sostanze in California institute of technology, che utilizza la stessa tecnologia laser per la manifestazione insoliti effetti quantistici in altri materiali. «Per un attimo il campo elettrico diventa molto forte — ma solo per un breve periodo di tempo».

Невзламываемые codici

La Gestione elettroni — ecco come Трушейм e Englund intendono sviluppare indistruttibile crittografia quantistica. Nel loro caso l'obiettivo non è quello di cambiare le proprietà dei materiali, ma di trasferire la proprietà quantistiche di elettroni in un design diamanti fotoni, che trasmettono le chiavi di crittografia. Colore centri di diamanti in laboratorio Энглунда si trovano gli elettroni liberi, la schiena che si può misurare con l'aiuto di un forte campo magnetico. Spin, che è allineato con il campo può essere chiamato spin 1, spin, che non è allineato, — spin 2, che sarebbe l'equivalente di 1 e 0 in digitale bit. «E ' una particella quantistica, quindi, può essere in entrambi gli stati allo stesso tempo», diceEnglund. Quantum bit, o qubit, in grado di produrre un sacco di calcoli contemporaneamente.

È qui che nasce il misterioso proprietà di entanglement quantistico. Immaginate una scatola contenente il rosso e il blu le palle. Si può prendere uno senza guardare e mettere in una tasca, e poi andare in un'altra città. Poi togliere la palla dalla tasca e scoprire che è rosso. Si capisce subito che nella scatola è rimasta una palla blu. Questa è la confusione. Nel mondo quantistico questo effetto consente di trasferire le informazioni istantaneamente e a grande distanza.

Centri di Colore in diamante in laboratorio Энглунда trasmettono stati quantici degli elettroni, prigionieri in loro, fotoni mediante la partecipazione, la creazione di un «volanti qubit», come li chiama Englund. In ottiche convenzionali di comunicazione fotone è possibile trasmettere al destinatario — in questo caso un altro vacante vuoto in diamante e il suo stato quantico sarà trasmesso un nuovo elettrone, quindi due elettroni saranno collegati. Il trasferimento di tali confuse bit permette a due persone di condividere una chiave crittografica. «Ognuno ha una stringa di zeri e di uno, o superiori e inferiori giri, che sembrano del tutto casuali, ma sono identici», dice Englund. Utilizzando questa chiave per la crittografia dei dati trasmessi, è possibile renderli assolutamente protetti. Se qualcuno vuole intercettare la trasmissione, il mittente sarà saperlo, dal momento che l'atto di misurazione quantistica lo stato cambierà la sua.

Englund sperimenta con quantistica rete che invia i fotoni su fibra ottica attraverso il suo laboratorio, l'oggetto sotto la strada all'università di Harvard e l'altro laboratorio del Mit nella vicina città di Lexington. Gli scienziati hanno già riuscito nella trasmissione quantistica delle chiavi crittografiche a grande distanza — nel 2017 gli scienziati cinesi hanno riferito che hanno consegnato la chiave da un satellite in orbita intorno alla Terra in due stazioni di terra a 1200 chilometri di distanza l'uno dall'altro, sui monti del Tibet. Ma il bitrate cinese esperimento è stato troppo basso per le pratiche di comunicazione: gli scienziati hanno registrato solo una intricata paio di sei milioni di euro. L'innovazione che renderà la crittografia quantistica rete sul terreno pratico, — è ripetitori quantistici, i dispositivi forniti con intervalli di rete, che amplificano il segnale, non cambiando la sua proprietà quantistiche. L'obiettivo Энглунда — trovare materiali adatti atomiche difetti, per loro è stato possibile creare questi ripetitori quantistici.

Il Trucco è quello di creare sufficiente di fotoni entangled per la migrazione dei dati. Un elettrone in азотозамещенной offerte di lavoro supporta il tuo giro abbastanza a lungo — circa un secondo — che aumenta le possibilità che la luce laser passa attraverso di esso e produrrà intricata fotone. Ma l'atomo di azoto è piccolo e non riempie lo spazio, creato dalla mancanza di carbonio. Quindi coerenti i fotoni possono essere leggermente diversi colori, e quindi perdono la conformità. Altri atomi, stagno, ad esempio, aderiscono con fermezza e creare una stabile e la lunghezza d'onda. Ma essi non saranno in grado di tenere spin abbastanza a lungo — e, di conseguenza, il lavoro è in corso per la ricerca di un equilibrio perfetto.

Sezionato punte

Mentre Englund e altri stanno cercando di far fronte con i singoli elettroni, altre immergersi ancora di più nel mondo quantistico e cercano di manipolare già quote di elettroni. Questo lavoro ha le sue radici in un esperimento 1982, quando gli scienziati dei Laboratori Bell e del laboratorio Nazionale Lawrence Livermore fatto sandwich da due strati di diversi cristalli di semiconduttori, ha raffreddato la loro quasi fino allo zero assoluto e applicato a loro un forte campo magnetico, intrappolando gli elettroni in un piano tra due strati di cristalli. Così si è formata una sorta di quantum il brodo, in cui il movimento di ogni singolo elettrone determinato cariche, che ha sentito da altri elettroni. «Non le singole particelle di per sé», dice Michael Манфра della Purdue University. «Immaginate un balletto, in cui ogni ballerino non fa solo i propri pa, ma reagisce al movimento del partner o altri ballerini. Questo è in qualche modo una risposta comune».

Strano in tutto questo è che una raccolta possono essere cariche frazionarie. L'elettrone è un'unità atomica, non tagli in tre parti, ma un gruppo di elettroni nelle giuste condizioni può produrre il cosiddetto квазичастицу con 1/3 di carica. «Se gli elettroni sono divisi in parti», dice Mohammed Хафези, un fisico da Joint Quantum Institute. «È molto strano». Хафези ha creato questo effetto сверххолодном grafene, одноатомном strato di carbonio, e di recente ha dimostrato che può manipolare il movimento квазичастиц, evidenziando il grafene laser. «Ora è controllata da», dice. «Fasci esterni, come ad esempio il campo magnetico e la luce, è possibile gestire, tirare o allungare. Cambia la natura collettiva di cambiamento».

La Manipolazione con квазичастицами consentono di creare un particolare tipo di qbit — topologico qubit. La topologia è un settore della matematica che studia le proprietà di un oggetto, che non cambiano, anche se l'oggetto è arricciata o deformato. Esempio standard di ciambella: se fosse stato perfettamente elastico, si sarebbe переформировать in una tazza di caffè, niente di particolare, non cambiando; il buco nella ciambella sarà giocare un nuovo ruolo nel foro nel manico della tazza. Tuttavia, per trasformare la ciambella in un pretzel, dovrà aggiungere nuovi buchi, cambiando la sua topologia.

Topologico qubit mantiene le sue proprietà anche in condizioni mutevoli. Di solito le particelle cambiano i loro stati quantici, o «декогерируют», quando è rotto qualcosa nel loro ambiente,come piccole vibrazioni causate da calore. Ma se si commette un qubit dei due квазичастиц, separati da una certa distanza, diciamo, su estremità opposte di nanofili, è infatti расщепите elettrone. Le due «metà» dovranno sperimentare la stessa violazione per декогерировать, e questo è improbabile che accada.

Questa proprietà rende topologici qubit attraenti per i computer quantistici. A causa della capacità di qbit essere in una sovrapposizione di numerosi stati anche, i computer quantistici devono essere in grado di produrre quasi impossibili senza di loro calcoli, ad esempio, di simulare il Big Bang. Манфра, infatti, sta cercando di creare un computer quantistici di topologici qubit in Microsoft. Ma ci sono anche gli approcci più semplici. Google e IBM, infatti, stanno cercando di creare i computer quantistici sulla base di переохлажденных cavi, che sono i semiconduttori, o atomi ionizzati in una camera a vuoto, tenuto laser. Il problema di tali approcci è che sono più sensibili ai cambiamenti ambientali, di topologici qubit, soprattutto se il numero di qubit in crescita.

In questo modo, topologiche qubit possono portare a una rivoluzione nella nostra capacità di manipolare piccole cose. Tuttavia c'è un problema sostanziale: loro non esiste ancora. I ricercatori stanno lottando per creare loro delle cosiddette particelle di majorana. La proposta di Ettore Майораной nel 1937, questa particella è se stessa античастицей. L'elettrone e la sua antiparticella, il positrone, hanno identiche proprietà, ad eccezione di carica, ma carica di particelle di majorana sarà pari a zero.

Gli Scienziati ritengono che determinate configurazioni di elettroni e lacune (la mancanza di elettroni) possono comportarsi come майорановские particelle. Loro, a sua volta, può essere utilizzato come topologici qubit. Nel 2012 il fisico Leo Коувенховен di Delft university of Technology nei paesi bassi e colleghi hanno misurato quello che sembrava loro майорановскими particelle in rete сверхпроводниковых e nanofili di semiconduttori. Ma l'unico modo per dimostrare di esistere questi квазичастиц sarà la creazione di topologica di qbit, sulla base di loro.

Altri esperti in questo campo sono più ottimista. «Credo che senza problemi qualcuno una volta creerà topologico qubit, solo per motivi di interesse», dice Steve Simon, teorico condensato di sostanze presso l'università di Oxford. «L'unica domanda è se possiamo fare di loro un computer quantistico del futuro».

I computer Quantistici e di superconduttori ad alta temperatura e indistruttibile crittografia quantistica — possono comparire dopo un sacco di anni o non apparire mai. Ma allo stesso tempo gli scienziati stanno cercando di decifrare gli enigmi della natura in grande scala. Mentre nessuno sa quanto lontano puoi accedere. Piu procediamo con i più piccoli costituiscono il nostro Universo, il più forte che ci spingono.