Como é difícil conquistar a quântica, a natureza da substância?

Matt Трушейм inclui o interruptor no escuro do laboratório, e um poderoso laser verde realça a um minúsculo diamante, colocada em local sob a lente de um microscópio. Na tela do computador, uma imagem difusa de gás da nuvem, salpicado de brilhantes os pontos verdes. Esses pontos de luz — minúsculos defeitos dentro de um diamante, em que os dois átomos de carbono substituídos por um átomo de estanho. A luz do laser, passando através deles, passa a partir de uma tonalidade de verde no outro.

Mais Tarde, este diamante é resfriado até uma temperatura de hélio líquido. Controlando a estrutura cristalina do diamante átomo por átomo, levando-o a poucos graus acima do zero absoluto e aplicando um campo magnético, os pesquisadores do Laboratório quântica fotônica, sob a liderança de física, Dirk Энглунда no instituto de tecnologia de Massachusetts pensam que podem, com uma precisão de escolher a mecânica quântica propriedades de fótons e de elétrons, o que eles conseguem passar невзламываемые códigos secretos.

Трушейм — um dos muitos cientistas, que tentam descobrir qual os átomos, os cristais, as condições em que lhes permitirá obter o controle deste nível. Na verdade, os cientistas de todo o mundo tentam aprender a controlar a natureza em nível de átomos e abaixo, antes de elétrons ou até mesmo a proporção de um elétron. Seu objetivo — para encontrar sites que controlam fundamentais e propriedades de substâncias e energia, e para apertar ou desvendar esses sites, alterando substância e energia, criar resistentes computadores quânticos ou supercondutores, operando à temperatura ambiente.

Estes cientistas enfrentam dois grandes desafios. A nível técnico para realizar tal trabalho é muito difícil. Alguns cristais, como, por exemplo, deve estar em 99,99999999% puros as câmaras de vácuo mais limpo do espaço. Ainda mais fundamental, a tarefa em que os efeitos quânticos, que querem refrear os cientistas, por exemplo, a capacidade de a partícula estar em dois estados simultaneamente, como um gato Шредингера — manifestam no nível dos elétrons. No macrocosmo esta magia em colapso. Portanto, os cientistas têm de manipular a matéria em grande escala, e eles são limitados fora da física fundamental. Seu sucesso depende de como será a nossa compreensão de ciência e tecnologia de possibilidades de as futuras décadas.

o Sonho do alquimista

A Manipulação de substância, até uma certa medida, é como gerir os elétrons. Afinal, o comportamento de elétrons em matéria determina suas propriedades em geral — será este material metal, o condutor de um ímã ou de qualquer outra coisa. Alguns cientistas estão tentando mudar o comportamento coletivo de elétrons, criando quântica sintética da substância. Os cientistas vêem como "nós cobramos o isolante e o convertemos em metal ou semicondutor, em seguida, no supercondutor. Podemos transformar o material não-magnético na magnético", diz o físico Eva André, da Universidade de Rutgers. "Este é o cumprimento de um sonho alquimista".

, E de que o sonho pode levar a estes avanços. Por exemplo, os cientistas há décadas têm tentado criar supercondutores, operando à temperatura ambiente. Com estes materiais você poderia criar uma linha de transmissão, não perdendo energia. Em 1957 física John Bardin, Leon Cooper e John Robert Шриффер demonstraram que a supercondutividade aparece quando os elétrons livres no metal, como o alumínio alinhados, nos chamados pares de Cooper. Mesmo estando relativamente distante, cada elétron é comparável a outro, tem o oposto do spin e momento. Como pares, dançando no meio da multidão na discoteca, emparelhadas com que os elétrons se movem em coordenação com outros, mesmo quando os outros os elétrons passam entre eles.

Este alinhamento permite que a corrente flua através do material, não encontrando resistência, e, portanto, e sem perdas. Os mais práticos, para os supercondutores, desenvolvidos até ao presente, deve ser a temperaturas um pouco acima do zero absoluto, para que esta condição seja perpetuada. No entanto, a .

Recentemente, os pesquisadores descobriram que обстреливание material высокоинтенсивным o laser também pode capturar os elétrons em куперовские pares, ainda que brevemente. Andrea Каваллери do Instituto da construção e da dinâmica da matéria Max Planck, em Hamburgo, na Alemanha, e seus colegas descobriram sinais de фотоиндуцированной de supercondutividade em metais e isoladores. A luz, que golpeia material, faz vibrar os átomos e os elétrons brevemente entra em um estado de supercondutividade. "O shake deve ser acirrada", diz David Esi, o físico de um condensado de substâncias na caltech, que usa a mesma tecnologia laser para a manifestação incomum de efeitos quânticos em outros materiais. "Por um momento, o campo elétrico se torna muito forte — mas apenas por um curto período de tempo".

Невзламываемые códigos

O Controle de elétrons — eis como Трушейм e Энглунд pretendem desenvolver невзламываемое criptografia quântica. No seu caso, o objetivo não é mudar as propriedades dos materiais, mas transmitir propriedades quânticas de elétrons em design colegas de diamantes фотонам, que transmitem as chaves de criptografia. Em cores centros de colegas de diamantes em laboratório Энглунда estão localizados os elétrons livres, costas que pode ser medido com o auxílio de um forte campo magnético. O spin, que se alinha com o campo, pode ser chamado de spin 1, spin, o que não é alinhado, — 2 spin, que será equivalente a 1 e 0 a digital bit. "Este é o quantum a partícula, de modo que pode ser usado em ambos os estados, ao mesmo tempo", dizЭнглунд. Quantum bit, ou qubit, é capaz de produzir muitos cálculos ao mesmo tempo.

É aqui que nasce a misteriosa propriedade — quantum a confusão. Imagine uma caixa contendo um vermelho e azul bolas. Você pode tomar um não olhar e colocar em seu bolso e, em seguida, ir para a outra cidade. Em seguida, retirar a bola do bolso e descobrir que ele é vermelho. Você vai perceber imediatamente o que está na caixa ficou azul bola. Isso é confusão. No mundo quântico este efeito permite a transferência de informações é instantânea e de longa distância.

Coloridas centros алмазе no laboratório de Энглунда transmitem os estados quânticos dos elétrons presos a eles, фотонам com a ajuda de participação, criando um "vôo кубиты" como chama de Энглунд. Na óptica comum de comunicação, o fóton pode enviar para o destinatário, neste caso, de outra vaga, o vazio em алмазе — e o seu estado quântico será transferido para um novo электрону, portanto, dois elétrons serão conectados. A transferência de tais emaranhados de bits permitirá que duas pessoas para dividir uma chave criptográfica. "Cada um tem uma linha de zeros e uns, ou superiores e inferiores de rodadas, que parecem totalmente aleatórios, mas eles são idênticos", diz Энглунд. Usando a chave de criptografia para a transmissão dos dados, pode fazer absolutamente seguros. Se alguém quiser interceptar a transmissão, o remetente será saber sobre isso, porque o ato de medir o estado quântico vai mudar.

Энглунд está experimentando com um quantum de rede que envia fótons por fibra através de seu laboratório, o objeto abaixo da estrada na universidade de Harvard e em outro laboratório do mit na vizinha cidade de Lexington. Os cientistas já conseguiram na transmissão quântica de chaves criptográficas de longa distância — no ano de 2017, os cientistas chineses relataram que entregou a chave do satélite na órbita da Terra em duas as estações terrestres em 1200 quilómetros de distância umas das outras montanhas do Tibete. Mas bitrate chinês experiência foi muito baixa para a prática de comunicação: os cientistas registraram apenas um emaranhado de um par de seis milhões de euros. Uma inovação que fará de criptografia quânticas de rede na terra prático, — é quânticos, repetidores, dispositivos, colocados em intervalos de rede, que amplificam o sinal, sem alterar suas propriedades quânticas. O objetivo Энглунда — o a encontrar os materiais adequados atômicas defeitos, para eles, foi possível criar estes quânticos repetidores.

O Truque é criar uma forma bastante confusa de fótons para a transferência de dados. O elétron no азотозамещенной empregos suporta o seu spin bastante tempo — cerca de um segundo — o que aumenta as chances de que a luz do laser passa através dele e produzirá um emaranhado de fóton. Mas o átomo de nitrogênio é pequeno e não preenche o espaço criado pela falta de carbono. Portanto, consistentes fótons podem ser ligeiramente diferentes das cores, e, portanto, perderão a conformidade. Outros átomos de estanho, por exemplo, estão firmemente e criam estável comprimento de onda. Mas eles não serão capazes de manter o spin tempo suficiente — portanto, estamos trabalhando em busca de um ideal de equilíbrio.

Рассеченные extremidades

Até Энглунд e outros tentam lidar com casas de elétrons, outras mergulhar ainda mais fundo no mundo quântico e tentam manipular já parcelas de elétrons. Este trabalho está enraizada na experiência de 1982, quando os cientistas do Laboratório Bell e do laboratório Nacional de Lawrence Livermore fizeram um sanduíche de duas camadas de diferentes cristais semicondutores, amorteceu-los quase ao zero absoluto e aplicou a ele um forte campo magnético, заточив elétrons em um plano entre as duas camadas de cristais. Assim formou-se uma espécie de caldo quântico, no qual o movimento de qualquer um elétron é determinado de encargos, que ele sentia dos outros elétrons. "Isso já não é possível separar as partículas em si", diz Michael Манфра da Universidade de Purdue. "Imagine um balé, em que cada dançarino de não apenas fazer o seu próprio pa, mas também reage sobre o movimento de um parceiro ou de outros dançarinos. É de certa forma uma resposta comum".

O Estranho em tudo isso é que essa coleção pode ser fracionário de cargas. O elétron é uma unidade indivisível, não разрежешь em três partes, mas o grupo de elétrons no estado correto pode produzir o chamado квазичастицу com 1/3 de carga. "Se os elétrons estão divididos em partes", diz Mohammed Хафези, um físico da Joint Quantum Institute. "É muito estranho". Хафези criou este efeito em сверххолодном графене, одноатомном camada de carbono, e, recentemente, mostrou o que pode manipular o movimento de квазичастиц, подсвечивая grafeno laser. "Agora é controlado", diz ele. "Externos nódulos, tais como o campo magnético e a luz, você pode gerenciar, mover-se ou dissolver. Muda a natureza coletiva de alterações".

A Manipulação de квазичастицами permitem criar um tipo especial de кубита — topológica do qubit. A topologia é um ramo da matemática que estuda as propriedades do objeto, que não mudam, mesmo que o objeto é trançado ou deforma. O exemplo padrão — donut, se ele fosse perfeitamente elástica, pode ser переформировать em um copo, nada de particularmente não mudar; um buraco no пончике irá desempenhar um novo papel no orifício na alça do copo. No entanto, para transformar uma rosquinha de pretzel, terá que adicionar-lhe novos buracos, mudando a sua topologia.

Topológica do qubit mantém suas propriedades mesmo quando há mudança das condições. Normalmente, as partículas mudam de estatuto, ou "декогерируют", quando é interrompido algo em seus arredores,como pequenas vibrações causadas pelo calor. Mas se você fizer um qubit dos dois квазичастиц, separados por alguma distância de, digamos, em extremidades opostas do nanofios, você de fato расщепите elétron. As duas "metades" devem experimentar a mesma violação, para декогерировать, e é improvável que aconteça.

Esta propriedade faz com que topológicas кубиты atraentes para computadores quânticos. Por causa da capacidade de кубита estar em uma superposição de vários estados simultaneamente, os computadores quânticos devem ser capazes de produzir praticamente impossíveis sem calcular, por exemplo, para simular o Big bang. Манфра, de fato, tenta criar computadores quânticos do topológicas кубитов no Microsoft. Mas há uma forma mais simples de abordagens. O Google e a IBM, na verdade, tentando construir computadores quânticos baseados em переохлажденных fios, que se tornam полупроводниками, ou ионизированных de átomos em uma câmara de vácuo, mantidos os lasers. O problema de tais abordagens é que eles são mais sensíveis a mudanças de ambiente, que topológicas кубиты, especialmente se o número de кубитов cresce.

Portanto, topológicas кубиты podem levar a uma revolução na nossa capacidade de manipular pequenas coisas. No entanto, há um problema essencial: eles ainda não existe. Os pesquisadores estão tentando criar o seu a partir de então chamado de partícula de majorana. Proposta de Ettore Майораной em 1937, esta parte é para si mesma античастицей. O elétron e o seu античастица, позитрон, têm idênticas propriedades, exceto o de carga, mas a carga майорановской da partícula será igual a zero.

Os Cientistas acreditam que uma determinada configuração de elétrons e buracos (falta de elétrons) podem comportar-se como майорановские partículas. Eles, por sua vez, pode ser usado como topológicas кубитов. Em 2012, o físico Leo Коувенховен da universidade de tecnologia de Delft, na Holanda, e seus colegas mediram o que parecia-lhes майорановскими partículas na rede сверхпроводниковых e nanofios semicondutores. Mas a única maneira de provar existir esses квазичастиц será a criação topológica кубита em sua base.

Outros especialistas nesta área são mais otimistas. "Acho que, sem dúvida, alguém um dia vai criar topológica do qubit, apenas por brincadeira", diz Steve Simon, o teórico condensado de substâncias na universidade de Oxford. "A questão é se podemos fazer deles um computador quântico do futuro".

Os computadores Quânticos — assim como os supercondutores de alta temperatura e невзламываемое criptografia quântica — pode aparecer depois de muitos anos ou não receber nunca. Mas ao mesmo tempo os cientistas tentam decifrar o enigma da natureza em grande escala. Até agora, ninguém sabe o quão longe poderá ir. Quanto mais nós atingimos o âmago compõem o nosso Universo, mais eles nos empurram para fora.