Jak trudno jest zdobyć kwantowej natury materii?

Matt Трушейм zawiera włącznik w ciemnym laboratorium, i mocny zielony laser podświetla mały diament, zawieszone na miejscu pod obiektywem mikroskopu. Na ekranie komputera pojawia się obraz, rozproszone gazowe chmura, wysadzane jasnymi zielonymi punktami. Te świecące punkty — małe wady wewnątrz diamentu, w którym dwa atomy węgla zastąpione jednym atomem cyny. Światło lasera przechodzi przez nich, przechodzi z jednego zielonego odcienia w drugi.

Później ten diament będzie chłodzony do temperatury ciekłego helu. Kontroluje struktury krystalicznej diamentu atom za atomem, dostosowując go do kilku stopni powyżej zera absolutnego i stosując pole magnetyczne, naukowcy z Laboratorium fotoniki kwantowej pod kierunkiem fizyka Dirka Энглунда w mit uważają, że mogą z taką dokładnością wybrać kwantowo-mechaniczne właściwości fotonów i elektronów, że uda im się przekazać невзламываемые tajne kody.

Трушейм — jeden z wielu naukowców, którzy próbują dowiedzieć się, jakie atomy zawarte w kryształach, w jakich warunkach pozwolą im uzyskać kontrolę tego poziomu. W rzeczywistości, naukowcy na całym świecie próbują nauczyć się zarządzać naturą na poziomie atomów i poniżej, do elektronów lub nawet udziału elektronu. Ich celem — znaleźć witryny, które kontrolują podstawowe właściwości substancji i energii, i dokręcić lub rozwikłać te węzły, zmieniając substancji i energii, stworzyć super komputery kwantowe lub nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej.

Naukowcy borykają się z dwoma podstawowymi problemami. Na poziomie technicznym, jak przeprowadzać takie prace jest bardzo trudno. Niektóre kryształy, na przykład, muszą być na 99,99999999% czyste w komorach próżniowych czystsze kosmosu. Jeszcze bardziej podstawowym zadaniem w tym, że efekty kwantowe, które chcą ograniczyć naukowcy, na przykład, zdolność cząsteczki znajdować się w dwóch stanach jednocześnie, podobnie jak kot Schrödingera — przejawiają się na poziomie pojedynczych elektronów. W makrokosmosu ta magia się rozpada. Dlatego naukowcy muszą manipulować materią w najmniejszych skalach, i są one ograniczone poza fundamentalnej fizyki. Od ich sukcesu zależy, jak zmieni się nasze rozumienie nauki i możliwości technologicznych w nadchodzących dziesięcioleciach.

Marzenie alchemika

Manipulacja materią, do pewnego stopnia, składa się w urzędzie elektronami. W końcu, zachowanie elektronów w materii określa jego właściwości w ogóle — będzie to substancja metalem, przewodnikiem, magnesem lub na coś jeszcze. Niektórzy naukowcy próbują zmienić kolektywne zachowanie elektronów, tworząc kwantowej syntetycznych substancji. Naukowcy widzą, jak "bierzemy izolator i zmieniamy go w metal lub półprzewodnik, a następnie w сверхпроводник. Możemy przekształcić materiał niemagnetyczny w magnetyczny", mówi fizyk Ewa Andrzej z Uniwersytetu Rutgers. "To spełnienie marzeń alchemika".

I to marzenie może prowadzić do niniejszej przełomy. Na przykład, naukowcy od lat próbowali stworzyć nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej. Z tych materiałów można byłoby tworzyć linie energetyczne, nie tracący energię. W 1957 roku fizyki John Бардин, Leon Cooper i John Robert Шриффер wykazały, że fizyka pojawia się, gdy wolne elektrony w metalu jak aluminium ułożone w tzw. pary Coopera. Nawet będąc stosunkowo daleko, każdy elektron jest porównywalna innego, posiadające przeciwny spin i impulsem. Jakby pary tańczące w tłumie na dyskotece, dobierać do pary elektrony poruszają się w koordynacji z innymi, nawet jeśli inne elektrony przechodzą między nimi.

To wyrównanie pozwala na przepływ prądu przez materiał, nie napotykając oporu, a więc i bez strat. Najbardziej praktyczne nadprzewodniki, zaprojektowane do obecnego momentu, powinny być w temperaturze nieco powyżej zera absolutnego, aby ten stan utrzymywał się długo. Zresztą .

W ostatnim czasie naukowcy odkryli, że ostrzeliwanie materiału высокоинтенсивным laserem może zestrzelić elektrony w куперовские pary, choć nie na długo. Andrea Cavalleri z Instytutu struktury i dynamiki materii Maxa Plancka w Hamburgu, Niemcy, i jego koledzy odkryli oznaki фотоиндуцированной nadprzewodnictwa w metalach i więzieniach. Światło, uderzając w materiał, sprawia, że atomy wibrować i elektrony chwilę wchodzą w stan nadprzewodnictwa. "Shake powinna być ostra", mówi David Эси, fizyk skrócone substancji w Kalifornijskim instytucie technologicznym, który wykorzystuje tę samą technikę laserową dla przejawy niezwykłych efektów kwantowych w innych materiałach. "Na chwilę pole elektryczne staje się bardzo silny — ale tylko na krótki czas".

Невзламываемые kody

Zarządzanie elektronami — oto jak Трушейм i Энглунд zamierzają opracować невзламываемое kwantowej szyfrowanie. W ich przypadku celem nie jest w tym, aby zmienić właściwości materiałów, ale wysyłać kwantowe właściwości elektronów w designerskich diamenty фотонам, które przekazują klucze kryptograficzne. W wariantach centrach diamenty w laboratorium Энглунда znajdują się wolne elektrony, pleców, które można zmierzyć za pomocą silnego pola magnetycznego. Spin, który jest wyrównany z pola, można nazwać spinie 1, spin, który nie jest wyrównany, — spinie 2, co będzie równoważne 1 i 0 w cyfrowym bitu. "To jest kwantowa cząstka, więc może być w obu trybach jednocześnie", mówiЭнглунд. Kwantowy bit, lub kubit, jest w stanie wykonywać wiele obliczeń jednocześnie.

To Właśnie tutaj rodzi się tajemnicza właściwość — quantum entanglement. Wyobraź sobie pudełko, zawierające czerwony i niebieski kulki. Możesz wziąć jeden nie patrząc i włożyć do kieszeni, a następnie wyjechać do innego miasta. Następnie wyjąć piłkę z kieszeni i odkryć, że jest czerwony. Zrozumiesz, że w pudełku pozostał niebieski koralik. To zamieszanie. W świecie kwantowym, efekt ten pozwala przekazywać informacje szybko i na duże odległości.

Kolorowe centra w diamencie w laboratorium Энглунда przekazują kwantowe stany elektronów zawartych w nich, фотонам za pomocą zaangażowanie, tworząc "latające pozdrawiamy", jak ich nazywa Энглунд. W zwykłych optycznych komunikacji foton można przekazać odbiorcy — w tym przypadku inny wolny pustce w diamencie — i jego stan kwantowy zostanie przekazana nowemu elektron, więc dwa elektrony będą związane. Wysyłanie takich skomplikowanych bitów pozwoli dwóm osobom podzielić klucze kryptograficzne. "Każdy ma ciąg zer i jedynek, lub górnych i dolnych obrotów, które wydają się być zupełnie przypadkowe, ale są one identyczne", mówi Энглунд. Za pomocą tego klucza do szyfrowania przesyłanych danych, można ich absolutnie chronione. Jeśli ktoś będzie chciał przechwycić transmisję, nadawca będzie o tym wiedzieć, ponieważ akt pomiaru kwantowego stanu zmieni jej.

Энглунд eksperymentuje z kwantowej sieci, który wysyła fotony na włókno przez jego laboratorium, obiekt poniżej w drodze na uniwersytecie Harvarda i innym laboratorium Massachusetts institute of technology w sąsiednim mieście Lexington. Naukowcy już celował w biegu kwantowej kluczy kryptograficznych na duże odległości — w 2017 roku chińscy naukowcy donosili, że przekazali taki klucz z satelity na orbicie Ziemi na dwie stacje w 1200 kilometrów od siebie w górach Tybetu. Ale bitrate chińskiego eksperymentu był zbyt niskie, aby praktycznych komunikacji: naukowcy odnotowali tylko jedną skomplikowaną kilka z sześciu milionów. Innowacja, która sprawi, że kryptograficzne kwantowe sieci na ziemi praktyczne, — to kwantowej wzmacniaczy, urządzenia, umieszczone w odstępach czasu w sieci, które wzmacniają sygnał, nie zmieniając jego właściwości kwantowych. Celem Энглунда — znaleźć materiały z odpowiednimi jądrowej defektami, aby z nich można było stworzyć te kwantowe wzmacniaczy.

Rzecz w tym, aby stworzyć na tyle splątanych fotonów do przesyłania danych. Elektron w азотозамещенной oferty pracy obsługuje swój spin dość długo — około sekundy — co zwiększa szanse na to, że światło lasera przechodzi przez niego i dokona zaplątany foton. Ale atom azotu jest mały i nie wypełnia przestrzeń stworzona brakiem węgla. Dlatego kolejne fotony mogą być lekko w różnych kolorach, a więc stracą zgodność. Inne atomy, cyna, na przykład, szczelnie przylegają i tworzą stabilną długości fali. Ale oni nie będą w stanie utrzymać spin wystarczająco długo — w związku z tym, prowadzone są prace w zakresie poszukiwania idealnej równowagi.

Rozcięta końce

Podczas Gdy Энглунд i inne starają się poradzić sobie z pojedynczymi elektronami, inni nurkują głębiej w kwantowy świat i próbują manipulować już płatów elektronów. Praca ta sięga eksperyment 1982 roku, kiedy to naukowcy z Laboratorium Bella i Narodowego laboratorium Lawrence ' a Livermore zrobili kanapkę z dwóch różnych warstw półprzewodnikowych kryształów, chłodzili ich prawie do zera absolutnego i stosuje się do nich silne pole magnetyczne, заточив elektrony w płaszczyźnie między dwoma warstwami kryształów. Tak powstał swego rodzaju kwantowy bulion, w którym ruch dowolnego pojedynczego elektronu określonych ładunków, które czuł od innych elektronów. "To już nie pojedyncze cząsteczki same w sobie", mówi Michael Манфра z Uniwersytetu Purdue. "Wyobraźcie sobie balet, w którym każdy tancerz nie tylko sprawia, że własne pa, ale i reaguje na ruch partnera lub innych tancerzy. Jest to w pewnym sensie wspólna odpowiedź".

Dziwne w tym wszystkim jest to, że taka kolekcji mogą być ułamkowe ładunki. Elektron to неделимая jednostka, jej nie tniesz na trzy części, ale grupa elektronów w odpowiednim stanie może produkować tzw. квазичастицу z 1/3 baterii. "Jakby elektrony są podzielone na części", mówi Mohammed Хафези, fizyk z Joint Quantum Institute. "To bardzo dziwne". Хафези stworzył ten efekt w сверххолодном графене, одноатомном warstwie węgla, a ostatnio pokazał, że może manipulować ruchem квазичастиц, oświecając grafen laserem. "Teraz jest to kontrolowane", mówi. "Zewnętrznych węzłów, takich jak polem magnetycznym i światłem, można zarządzać, zaostrzenia lub rozpuścić. Zmienia się natura zbiorowych zmian".

Manipulacji квазичастицами pozwalają stworzyć specjalny rodzaj кубита — topologicznych kubit. Topologia — to dziedzina matematyki, która bada właściwości obiektu, które nie zmieniają się, nawet jeśli ten obiekt jest pozwijany lub zdeformowane. Standardowy przykład — pączka: gdyby był doskonale elastyczny, można go było переформировать w filiżankę kawy, nic się nie zmienia; dziura w пончике będzie odgrywać nową rolę w otwór w uchwycie na kubek. Jednak, aby włączyć pączek w precel, trzeba dodać mu nowych dziur, zmieniając jego topologii.

Topologicznych kubit zachowuje swoje właściwości nawet przy zmieniających się warunkach. Zwykle cząstki zmieniają swoje kwantowe stanu, lub "декогерируют", gdy szwankuje coś w ich otoczeniu,jak małych drgań spowodowanych ciepłem. Ale jeśli zrobisz kubit z dwóch квазичастиц, podzielonych pewnym dystansem, powiedzmy, na przeciwległych końcach нанопроволоки, w rzeczywistości расщепите elektron. Obie "połówki" będą badać to samo naruszenie, aby декогерировать, a to jest mało prawdopodobne, że się stanie.

Ta właściwość sprawia, że topologiczne pozdrawiamy atrakcyjne dla komputerów kwantowych. Ze względu na zdolność кубита być w superpozycji wielu stanów jednocześnie, komputery kwantowe muszą być w stanie wyprodukować praktycznie niemożliwe bez nich obliczenia, na przykład, modelować Wielki Wybuch. Манфра, w rzeczywistości, stara się stworzyć komputery kwantowe z topologiczne kolekcjonerzy w Microsoft. Ale są i bardziej proste podejścia. Google i IBM, w rzeczywistości, próbują stworzyć komputery kwantowe na podstawie переохлажденных przewodów, które stają się полупроводниками, lub zjonizowanych atomów w komorze próżniowej, pobieranych laserami. Problem takich podejść w tym, że są one w większym stopniu wrażliwe na zmiany środowiska, niż topologiczne pozdrawiamy, szczególnie jeśli liczba kolekcjonerzy rośnie.

W Ten sposób, topologiczne pozdrawiamy mogą doprowadzić do rewolucji w naszej zdolności do manipulowania drobnymi rzeczami. Jednak jest jeden zasadniczy problem: ich jeszcze nie istnieje. Naukowcy ze wszystkich sił starają się stworzyć ich z tak zwanych майорановских cząstek. Proponowana Ettore Майораной w 1937 roku, ta cząstka jest sama sobie античастицей. Elektron i jego античастица, pozyton, mają identyczne właściwości, oprócz baterii, ale ładunek майорановской cząsteczki wynosi zero.

Naukowcy uważają, że pewne konfiguracje elektronów i dziur (brak elektronów) mogą zachowywać się jak майорановские cząstki. Ich z kolei można wykorzystać jako topologiczne kolekcjonerzy. W 2012 roku fizyk Leo Коувенховен z uniwersytetu Technologicznego w Delft w Holandii i jego koledzy mierzyli to, co wydawało się im майорановскими cząstkami w sieci nadprzewodnikowych i półprzewodnikowych нанопроводов. Ale jedynym sposobem, aby udowodnić istnieć tych квазичастиц będzie tworzenie топологического кубита na ich podstawie.

Inni eksperci w tej dziedzinie są bardziej optymistyczne. "Myślę, że bez żadnych pytań ktoś kiedyś stworzy topologicznych kubit, po prostu dla zabawy", mówi Steve Simon, teoretyk skrócone substancji w uniwersytecie Oksfordzkim. "Problem tylko w tym, czy będziemy w stanie zrobić z nich kwantowy komputer przyszłości".

Komputery Kwantowe — tak jak i wysokotemperaturowe nadprzewodniki i невзламываемое kwantowej szyfrowanie — mogą pojawić się przez wiele lat lub nie pojawić się nigdy. Ale w tym samym czasie naukowcy próbują rozszyfrować zagadki natury w najmniejszych skalach. Na razie nikt nie wie, jak daleko można się posunąć. Im głębiej osiągamy w najdrobniejszych elementów naszego Wszechświata, tym bardziej oni nas wypychają.