Қаншалықты қиын таңқалдыру квантовую табиғатты заттар?

Matt Трушейм қамтиды рубильник қараңғы зертханалар, және қуатты жасыл лазер подсвечивает кішкентай алмаз ұсталатын орнында астында объективпен микроскоп. Компьютер экранында пайда болады бейнесі, диффузиялық ластануды газ бұлт, усеянное жарқын жасыл нүктелер. Бұл жарқырайтын нүктелер — кішкентай ақаулары ішінде алмаз, екі көміртек атомы ауыстырылды-бір атомом қалайы. Жарық лазер арқылы өте отырып, олардың ауысады, бір реңкті жасыл басқа.

Кейінірек бұл алмаз болады охлажден температураға дейін сұйық гелий. Бақылай отырып, кристаллическую құрылымы алмаз атом үшін атомом, доводя оның бірнеше градусқа жоғары абсолюттік нөлден және қолдана отырып, магнит өрісі, зерттеушілер зертханадан кванттық фотоника басшылығымен физика Дирка Энглунда массачусетс технологиялық университетінің ойлаймын мүмкін осындай дәлдікпен таңдау кванттық-механикалық қасиеттері, фотондар мен электрондар, - деп бұйыруы берсін невзламываемые құпия кодтары.

Трушейм бірі, көптеген ғалымдар, олар анықтауға тырысады, қандай атомдар жасалған кристалдардағы, қандай жағдайда алуға мүмкіндік береді бақылау осындай деңгейдегі. Шын мәнінде, бүкіл әлемнің ғалымдары тырысады үйрену басқаруға табиғатпен деңгейде атомдар және төмен, электрондар немесе тіпті үлесін электрона. Олардың мақсаты — табу тораптар бақылайды іргелі қасиеттері заттар мен энергия, создыру немесе күн тәртібінде-бұл тораптар өзгертіп, зат және энергия, құру сверхмощные кванттық компьютерлер немесе сверхпроводники, жұмыс істейтін бөлме температурасында.

Бұл ғалымдар кездесетін екі негізгі проблемалары. Техникалық деңгейде жүргізуге, мұндай жұмыс өте қиын. Кейбір кристалдар, мысалы, болуы тиіс 99,99999999% таза вакуумдық камераларда таза ғарышты. Одан іргелі міндет деп кванттық әсерлер келетін тежеу ғалымдар, мысалы, қабілеті бөлшектер болуы тиіс екі жағдай бір мезгілде, ұқсас коту Шредингер — әрекетінде деңгейінде жеке электрондар. "Макромире бұл сиқырлы рушится. Демек, ғалымдарға тиесілі айла-шарғы емес, заты да дәріске ауқымы, және олар шектелген шегінен іргелі физика. Олардың табысқа байланысты қалай өзгеретінін біздің түсінігіміз ғылым мен технологиялық мүмкіндіктерді алдағы онжылдықта.

Арман алхимика

Айла-шарғы жасау затпен дейін белгілі бір деңгейде тұрады басқару электронами. Соңында, мінез-құлық электрондардың заттағы анықтайды, оның қасиеттері, жалпы алғанда, — бұл зат металмен, жолсерік, магнитпен немесе чем-нибудь тағы. Кейбір ғалымдар тырысады өзгертуге ұжымдық мінез-құлық электрондардың құрып, квантовое синтетикалық зат. Ғалымдар көреді, біз аламыз изолятор және превращаем оны металл немесе заңнамада, ал бөлімі. Біз айналдыру немагнитный материал магнитті", дейді физик Ева Андрей Университетінің Рутгерса. "Бұл армандардың орындалуы алхимика".

бұл арманы әкелуі мүмкін осы жарылуы. Мысалы, ғалымдар ондаған жылдар бойы тырысты құру сверхпроводники, жұмыс істейтін бөлме температурасында. Көмегімен осы материалдарды еді құруға, электр беру желілері, теряющие энергия. 1957 жылы физика Джон Бардин, Леон Джон Купер және Роберт Шриффер көрсетті, бұл сверхпроводимость пайда болған бос электрондар металдағы сияқты алюминий выравниваются " деп аталатын жұп-марат тәжинді таныстырды. Тыңдап қатысты алыс, әрбір электрон сәйкес басқа иеленуші қарама-қарсы спином және серпін. Словно жұбы, биші в екендігіне дискотека, қосарланған электрондар қозғалады үйлестіру басқа, тіпті егер басқа электрондар өтеді, олардың арасындағы.

Бұл теңестіруге мүмкіндік береді ток ағып арқылы материал, армысың, кедергі, ал шығынсыз. Ең тиімді сверхпроводники әзірленген қазіргі сәтте болуы тиіс температурада сәл жоғары абсолюттік нөлден үшін, бұл жай-күйі сақталды. Дегенмен, .

соңғы кезде зерттеушілер, бұл обстреливание материалды высокоинтенсивным лазермен сондай-ақ, мүмкін тұрып түсіруге электрондары да куперовские жұп болсын аз уақытқа. Андреа Каваллери Институтының құрылыстар мен динамикасын материяның Планк Гамбург, Германия, және оның әріптестері анықтады белгілері фотоиндуцированной сверхпроводимости металдардағы және изоляторларында жүргізіледі. Жарық, поражая материал мәжбүрлейді атомдар вибрировать, және электрондар аз уақытқа кіреді жағдайы сверхпроводимости. "Встряска тиіс-кескі", дейді Дэвид Эси, физик конденсирленген заттардың Калифорния технологиялық институты, ол пайдаланады бірдей лазерлік техниканы көріністері ерекше кванттық әсерлер басқа да материалдар. "Сәтке, электр өрісі өте күшті, бірақ тек қысқа уақыт болады.

Невзламываемые кодтары

Басқару электронами — міне, Трушейм және Энглунд ниет білдірсе әзірлеу невзламываемое квантовое шифрлау. Ондай жағдайда мақсат үшін өзгертуге материалдардың қасиеттері, бірақ беруге кванттық қасиеттері электрондардың дизайнерлік алмазах фотонам, олар береді криптографиялық кілттерін. Бұл түс орталықтарында алмазах зертханада Энглунда орналасқан еркін электрондар, арқа олардың өлшеуге болады көмегімен күшті магнит өрісі. Спин, ол тегістеледі алаңы деп атауға болады спином 1, спин, тегістеледі, — спином 2, баламалы 1 және 0 сандық бите. "Бұл кванттық бәрі, сондықтан ол болуы мүмкін екі жағдай бір мезгілде", - дейді,Энглунд. Кванттық бит, немесе кубит шығаруға қабілетті көптеген есептеулер бір мезгілде.

Дәл осы жерде дүниеге құпиялы қасиеті — кванттық запутанность. Елестетіп көріңізші қорапқа қамтитын қызыл мен көк шарлар. Сіз бір емес, қарап және сунуть қалтасына, содан кейін кете алады. Содан кейін шығарып шарик қалтасынан табуға болады, ол қызыл. Сіз бірден түсінеді қорапта қалды көк шарик. Бұл запутанность. "Квантовом әлемде бұл әсер мүмкіндік береді ақпаратты лезде және ұзақ қашықтыққа.

түрлі-Түсті орталықтар алмазе зертханада Энглунда береді электрондардың кванттық күй жасалған, оларда, фотонам көмегімен запутанности жасай отырып, "ұшатын кубиты", оларды қалай атайды Энглунд. Қарапайым оптикалық байланыстың фотон алушыға беруге болады, бұл жағдайда — басқа бос пустоте " алмазе және оның квантовое күйі берілген жаңа электрону, сондықтан екі электрона байланысты болады. Мұндай запутанных бит мүмкіндік береді екі адамдарға бөлуге криптографиялық кілт. "Әр жолы нөлдердің және бірлік, немесе жоғарғы және төменгі спинов, олар көрінуі мүлде кездейсоқ, бірақ олар бір-біріне ұқсас", - дейді Энглунд. Пайдалана отырып, бұл кілт шифрлеу үшін берілетін деректер болады олардың мүлдем қорғалған. Егер біреу шынымен ұстап беруді, жөнелтуші туралы білуге, себебі акт өлшеу кванттық күйін өзгертеді.

Энглунд экспериментирует с кванттық желісімен, ол фотоны жібереді бойынша оптоволокну арқылы оның зертханасына, объект төмен жолда Гарвард университетінде және басқа зертханаға Массачусетс технологиялық институтының көрші қаладағы Лексингтон. Ғалымдар болса, табысқа жеттік беру кванттық-криптографиялық кілттерді үлкен қашықтыққа — 2017 жылы қытай ғалымдары деп тапсырды мұндай кілт спутнигінің орбитадағы Жердің екі жердегі станция 1200 шақырым жерде бір-бірінен Тибет тауларында. Бірақ мүшелеріне қытай эксперимент тым төмен үшін практикалық коммуникациялар: ғалымдар әйелдер тек бір запутанную екі алты миллион. Инновация, ол жасайды криптографиялық кванттық желілер жерінде тиімді, — бұл кванттық қайталағыштары, құрылғылар орналасқан аралықпен желіні, күшейтеді сигнал өзгертпей-ақ, оның кванттық қасиеттері. Мақсаты Энглунда табу материалдар ыңғайлысы атом ақаулары үшін, оның ішінде кажет бұл кванттық қайталағыштары.

Трюк, жасау үшін жеткілікті запутанных фотондар деректерді тасымалдау үшін. Электрон " азотозамещенной бос жұмыс орындары қолдайды өзінің спин жеткілікті ұзақ шамамен секунд — бұл арттырады, яғни жарық лазердің өтеді, ол арқылы және жүргізбесе запутанный фотон. Бірақ атом азот кішкентай және толтырады кеңістік құрылған болмауына көміртегі. Сондықтан, дәйекті фотоны мүмкін сәл түрлі-түсті, ал потеряют сәйкестігі. Басқа атомдар, қалайы, мысалы, прилегают тығыз туғызады және тұрақты толқын ұзындығына. Бірақ олар ұстап алады спин айтарлықтай ұзақ мысалы, іздеу бойынша жұмыс жүргізіледі мінсіз тепе-теңдік.

Рассеченные ұштары

Әзірге Энглунд және басқа да тырысады совладать жекелеген электронами, басқа да суға секіріп, тағы да тереңірек кванттық бейбітшілік пен тырысады айла-шарғы емес, қазірдің өзінде үлестерін электрондар. Бұл жұмыс түп-тамыры эксперимент 1982 жылы ғалымдар зертханадан Белла және Ұлттық зертханасының Лоуренса Ливермора жасады сэндвич екі топтары әр түрлі жартылай өткізгіш кристалдар, охладили олардың күн сайын дерлік абсолюттік нөлден және қолдандық оларға күшті магнит өрісі, заточив электрондар жазықтық арасындағы екі қабатымен кристалдар. Осылай қалыптасты өзіндік кванттық сорпа, онда қозғалыс кез келген жеке электрона саналды зарядтармен, ол көріп басқа да электрондар. "Бұл жекелеген бөлшектер өздері", - дейді Майкл Манфра Университетінің Пердью. "Вообразите өзіне балет, онда әрбір биші ғана емес, жасайды меншікті па, бірақ мен жауап қозғалысы серіктес немесе басқа бишілердің. Бұл кейбір жалпы түрі.

бір қызығы, бұл болса, мұндай коллекциялар болуы мүмкін бөлшек зарядтар. Электрон — бұл бөлінбейді бірлік, оның разрежешь үш бөлікке, бірақ топ электрондардың дұрыс күйде болуы мүмкін аталатын өлшемді квазичастицу 1/3 заряд. "Меніңше, электрондар бөлінеді", - дейді Мохаммед Хафези, физик бірі Joint Quantum Institute. "Бұл өте қызық". Хафези құрды, бұл нәтиже сверххолодном графене, одноатомном қабатында көміртегі, және жақында көрсетті, бұл айла-шарғы емес, қозғалысын квазичастиц, подсвечивая графен лазермен. "Енді бұл бақыланады", - дейді ол. "Сыртқы қайтпаңдар сияқты магнетитті және жарықпен басқаруға болады, подтягивать немесе распускать. Өзгеріп табиғат ұжымдық өзгерістер".

Манипуляция квазичастицами құруға мүмкіндік береді ерекше түрі кубита — топологический кубит. Топология — бұл математика, зерттейтін объектінің қасиеттері, олар өзгермейді, тіпті егер бұл объект скручивается немесе деформируется. Стандартты үлгі — бәліш: егер ол өте икемді, оның еді переформировать " кофе және шәй картасы шыны аяқты, ерекше ештеңе өзгертпей; дырка в пончике болады ойнауға жаңа рөлі саңылаулар қаламда тостаған. Алайда айналдыру үшін бәліш " крендель, тура қосу оған жаңа дыр өзгертіп, оның топологияны.

Топологический кубит өзінің қасиеттерін сақтайды тіпті өзгеріп отыратын жағдайында. Әдетте бөлшектер өзгертеді кванттық күй, немесе "декогерируют", бұзылған жағдайда болса да, олардың айналасында,жап-шағын тербеліс туындаған жылумен. Бірақ егер сіз жасасаңыз кубит екі квазичастиц бөлінген кейбір қашықтықта, мысалы, қарама-қарсы ұшында нанопроволоки, сіз шын мәнінде расщепите электрон. Екі "половинки" тиіс бастан бір бұзу үшін декогерировать, ал бұл екіталай, ұрлап.

Бұл қасиеті жасайды топологиялық кубиты үшін тартымды кванттық компьютерлер. Қабілетін кубита болуы суперпозиция көптеген күйлердің бір мезгілде, кванттық компьютерлер қабілетті болуы тиіс өндіруге іс жүзінде невозможные оларсыз есептеулер, мысалы, модельдеуге Үлкен Жарылыс болды. Манфра, шын мәнінде, құруға тырысады кванттық компьютерлер келген топологиялық кубитов Microsoft. Бірақ одан қарапайым тәсілдері. Google, IBM, шын мәнінде, құруға тырысады кванттық компьютерлер негізінде переохлажденных сымдар, олар айналады полупроводниками, немесе ионизированных атомдар вакуумдық камерада ұсталатын лазерами. Проблемасы осындай әдістерді, олар көбінесе сезімтал өзгерістерге қоршаған топологиялық кубиты, әсіресе, егер саны кубитов өсіп келеді.

осылайша, топологиялық кубиты әкелуі мүмкін революция біздің қабілеті айла-шарғы емес, крошечными қойылған. Алайда, бір елеулі проблемасы: олардың әзірге жоқ. Зерттеушілер бейнелеу өнері барлық күштерін құруға тырысады олардың бірі-деп аталатын майорановских бөлшектер. Ұсынылған Этторе Майораной 1937 жылы, бұл бәрі болып табылады өзіне өзі античастицей. Электрон мен оның античастица, позитрон, бар ұқсас қасиеттері, сонымен заряд, бірақ заряд майорановской бөлшектер нөлге тең болады.

ғалымдардың ойынша, бұл белгілі бір конфигурация электрондардың және тесік (болмауы электрондардың) өздерін қалай майорановские бөлшектер. Оларды, өз кезегінде, ретінде пайдалануға болады топологиялық кубитов. 2012 жылы физик Лео Коувенховен Технологиялық университетінің Делфта Нидерландыда және оның әріптестері өлшенген не көрінді оларға майорановскими бөлшектермен желісінде сверхпроводниковых және жартылай өткізгіш нанопроводов. Бірақ жалғыз тәсілімен дәлелдеу болды осы квазичастиц құру топологического кубита.

Басқа да сарапшылар осы саладағы ниеттіміз неғұрлым оптимистік. "Менің ойымша, қандай да бір мәселелерді біреу бір күні жасайды топологический кубит, жай ғана үшін қызығушылық", - дейді Стив Саймон, теоретик конденсирленген заттардың Оксфорд университетінде. Сұрақ ғана, біз көп квантовый болашақ".

Кванттық компьютерлер сияқты және жоғары температуралы сверхпроводники және невзламываемое квантовое шифрлеу пайда болуы мүмкін арқылы көп немесе пайда ешқашан. Бірақ сол уақытта ғалымдар тырысады таратып жазу жұмбақтар табиғат дәріске ауқымы. Әзірге ешкім білмейді қаншалықты алыс сәті кіріп. Қарағанда тереңірек біз проникаем да ұсақ құрайтын біздің Ғаламның, күшті олар бізді выталкивают.