Ne kadar zor fethetmek kuantum doğası madde?

Matt Трушейм içerir anahtarı karanlık bir laboratuvarda güçlü yeşil lazer vurgular minik elmas, bekleyen bir yerinde mercek altında mikroskop. Bilgisayar ekranında beliren bir resim, diffüz gaz bulutu, çivili parlak yeşil noktalar. Bu parlak noktaları — küçük kusurları elmas içinde, hangi iki karbon atomu yerine bir atom kalay. Lazer ışığı onları geçerek, geçer bir gölge yeşil, diğer.

Daha Sonra bu elmas sıcaklığa kadar soğutulabilir sıvı helyum. Kontrol ederek kristal yapısı elmas atom için atom getirerek, birkaç derece daha yüksek mutlak sıfır ve uygulayarak manyetik alan araştırmacılar, Laboratuvar kuantum fotonik gözetiminde fizik Dirk Энглунда Massachusetts ınstitute of technology düşünüyorum hassasiyetle seçmek kuantum-mekanik özellikleri, fotonlar ve elektronlar, onlar başarılı geçmek невзламываемые gizli kodları.

Трушейм biri gibi bilim adamları, anlamaya çalışıyorum, ne atomlar, mahkumlar, kristaller, hangi koşullarda elde etmelerini sağlayacak bir kontrol bu seviyede. Aslında, bilim adamları, dünya çapında bir girişimi yönetmek için öğrenmek, doğa düzeyinde atom ve aşağıda, önce elektron ve hatta payı elektron. Onların amacı bulmak sitelerini kontrol temel özellikleri madde ve enerji, ve sıkmak veya çözmek bu siteler, değiştirerek, madde ve enerji oluşturmak için ağır kuantum bilgisayarlar ya da süper iletkenler, çalışan oda sıcaklığında.

Bu bilim adamları ile karşı karşıya iki ana zorluklar. Teknik düzeyde yürütmek için bu iş çok zor. Bazı kristaller, örneğin, olmalıdır 99,99999999% temiz vakum odalarında temiz bir evren. Daha da temel bir görev olduğunu kuantum etkileri, isteyen frenlemek bilim adamları, — örneğin, bir parçacığın yeteneği bulunması, iki eyalette aynı anda, benzer couto Schrödinger — tecelli düzeyinde bir elektron. Bu макромире bu sihirli çöken. Bu nedenle, bilim adamları zorunda manipüle maddenin en küçük ölçekte ve sınırlı dışında temel fizik. Onların başarı bağlıdır, nasıl değişir anlayışımız, bilim ve teknolojik yetenekleri, gelecek yıl.

Rüya simyacı

Manipülasyon madde, belli bir dereceye kadar oluşur yönetiminde elektron. Sonunda, davranış elektron madde tanımlar, özelliklerini genel olarak — bu madde, metal, iletken, bir mıknatıs ya da başka bir şey. Bazı bilim adamları deneyin kolektif davranış elektron oluşturarak, kuantum sentetik bir madde. Bilim adamları olarak görmek, «biz izolatör ve dönüştürmek, onu bir metal veya yarı iletken ve ardından süper iletken. Biz içine manyetik olmayan malzeme içinde manyetik» diyor fizikçi Eva Andrew Rutgers Üniversitesi. «Bu yorumu rüya simyacı».

Ve bu bir rüya olabilir bu atılımlar. Örneğin, bilim adamları yıllardır oluşturmak için çalıştık ve süper iletkenler, çalışan oda sıcaklığında. Bu malzemeler ile olur oluşturmak, enerji hatları, enerji kaybediyor. 1957 yılında, fizikçiler John Bardeen, Leon Cooper ve John Robert Шриффер gösterdi, süperiletkenlik görünür, boş zaman elektronlar metal gibi alüminyum hizalanır sözde çiftler Cooper. Hareket halindeyken bile nispeten uzak, her elektron maç başka bir ürün arasında zıt spin ve ivme. Sanki çiftler, dans eden kalabalık bir diskoda, eşleşmiş elektronlar hareket koordinasyonu, diğer, bile, diğer elektronlar geçmektedir arasında.

Bu hizalama sağlar akım akmasına malzeme, karşılaşmadan direnç anlamına gelir ve kayıpsız. En pratik süper iletkenler, geliştirilen şimdiki zaman gerekir hemen üstünde bir sıcaklıkta mutlak sıfır için bu durum devam edildi. Ancak, .

Son zamanlarda araştırmacılar, обстреливание malzeme высокоинтенсивным lazer de vurmaya elektron куперовские çiftler, geçici bile olsa. Andrea Каваллери Enstitüsü, yapı ve dinamikleri maddenin Max Planck, Hamburg, Almanya, ve arkadaşları bulundu, belirtileri фотоиндуцированной süperiletkenlik metal ve gözaltı merkezleri. Işık vurmak, malzeme, neden olur, atomlar titreşim ve elektron kısa bir süre için gitmek durumu süperiletkenlik. «Sarsıntı olmalıdır şiddetli», diyor David Эси, fizikçi yoğun maddelerin California ınstitute of technology, kullanır, aynı lazer tekniği tezahürü için alışılmadık kuantum etkileri diğer malzemeler. «Bir an için elektrik alanı çok güçlü olur — ama sadece kısa bir süre için».

Невзламываемые kodları

Elektron — işte Трушейм ve Энглунд niyetinde geliştirmek невзламываемое kuantum şifreleme. Kendi halinde, amacı değil, değiştirmek için malzeme özellikleri, ama transfer kuantum özellikleri elektron tasarım elmas dairelerin kuvvetli parçacıkların foton iletimi şifreleme anahtarları. Renk merkezlerinde elmas bir laboratuvar Энглунда bulunan serbest elektronlar, sırt ölçen kullanarak güçlü bir manyetik alan. Spin ile uyumlu bir alan denebilecek bir spin 1 ve spin, bir tesviye — spin 2 eşittir 1 ve 0 dijital yarasa. «Bu bir kuantum parçacık bu yüzden olabilir her iki durumda da aynı anda» diyorЭнглунд. Kuantum bit veya qubit, üretmek mümkün aynı anda birden fazla hesaplamalar.

Tam olarak burada doğuyor bilmecesi — kuantum dolanması. Düşünün bir kutu içeren kırmızı ve mavi topları. Sen-ebilmek almak bir seyir ve ... ... cebe, ve daha sonra başka bir şehre gitmek. Sonra çıkarıp top cebinden ve tespit etmek, o kırmızı. Hemen fark edeceksiniz ki kutunun içinde kaldı mavi boncuk. Bu dolanması. Kuantum dünyasında bu etkiyi sağlar bilgi aktarımı anında ve büyük bir mesafe.

Renkli merkezleri deming laboratuvar Энглунда iletimi, kuantum durum elektron, mahkumlar onlara dairelerin kuvvetli parçacıkların foton kullanarak karışıklık yaratmak «uçan qubits» onların dediği Энглунд. Normal optik iletişim foton iletebilirsiniz alıcı — bu durumda başka boş boşlukta elmas — ve onun kuantum durumunu konacak yeni электрону, yani iki elektron bağlı olacaktır. Gönderme gibi kafa karıştırıcı bit sağlayacak iki kişiye bölmek için bir şifreleme anahtarı var. «Her satır, birler ve sıfırlar, ya da üst ve alt spin görünüyor tamamen rastgele, ama onlar aynı,» diyor Энглунд. Bu anahtar kullanarak şifrelemek için, onları tamamen güvenli. Eğer birisi isterse transferi kesmek, gönderen, bunu bilir, çünkü hareket ölçüm kuantum durumu değiştirecek.

Энглунд deneyleri ile kuantum ağı gönderir fotonlar fiber üzerinden bir laboratuvar nesnesi, aşağıdaki yolda, Harvard üniversitesi ve diğer laboratuvar Mıt komşu Lexington. Bilim adamları zaten başarılı bir transfer kuantum şifreleme anahtarları uzun mesafe — 2017 yılında çinli bilim adamları bildirdi getirdiği için böyle bir anahtar uydudan Dünya'nın yörüngesinde iki kara istasyonu 1200 kilometre birbirinden dağlar, Tibet. Ama bitrate çin deney çok düşük için pratik iletişim: bilim adamları sadece sabit bir karışık çift altı milyon. Yenilik yapacak bir şifreleme kuantum ağ yeryüzünde pratik, — bu kuantum tekrarlayıcı cihazları, özellikli aralıklarla ağ güçlendirmek sinyal değiştirmeden kuantum özellikleri. Amaç Энглунда — malzemeleri bulmak için uygun atom kusurları için onları oluşturmak bu kuantum tekrarlayıcı.

Bir Hile oluşturmak için yeterince kafa karıştırıcı foton veri aktarmak için. Elektron азотозамещенной işleri destekler, kendi spin yeterince uzun — yaklaşık bir saniye — ne şansı artar ne ışık lazer geçecek içinden ve üretecek karışık foton. Ama azot atomu küçük ve doldurur oluşturulan bir boşluk olmaması için karbon. Bu nedenle, ardışık foton biraz farklı renk anlamına gelir, ve sonra uyum. Diğer atomlar, kalay, örneğin, sağlar ve sıkı bir şekilde oluşturmak, istikrarlı bir dalga boyu. Ama onlar tutmak için bir spin için yeterince uzun — bu nedenle, çalışma, arama, mükemmel bir denge.

Loblu biter

Kadar Энглунд ve diğer insanlar ile başa çıkmak için tek tek elektronlar, diğer dalış daha derin kuantum dünyası ve işlemek için zaten kazık elektron. Bu eser, köklü bir deney 1982 yılında, ne zaman bilim adamları bir Laboratuvar Bella ve Ulusal laboratuvarı, Lawrence Ливермора yapılan sandviç iki kat farklı yarı iletken kristaller, soğutmalı onları neredeyse mutlak sıfır ve uygulamış, onlara güçlü bir manyetik alan, заточив elektronlar arasındaki düzlemde iki kat kristal. Yani oluşmuş bir tür kuantum çorbası olduğu bir hareketi, her bir elektron belirlenir ücretler, o hissetti, diğer elektron. «Bu artık bireysel parçacıkların kendilerini,» diyor Michael Манфра, Purdue Üniversitesi. «Düşünün bale, her dansçı yapar sadece kendi pa, ama tepki hareketi, bir ortak veya diğer dansçılar. Bu şekilde ortak bir tepki».

Garip dünya bu ne böyle toplama olabilir kesirli ücretleri. Elektron, bölünmez bir birim, onu ... ... üç bölüm, ama bir grup elektron doğru durumda üretebilir sözde квазичастицу ile 1/3 ücret. «Sanki bir elektron ayrılır parçası» diyor Muhammed Хафези, fizikçi Joint Quantum Institute. «Bu çok garip». Хафези yarattı bu etkiyi сверххолодном графене, одноатомном katmanda karbon, ve son zamanlarda gösterdi işleyebilirsiniz hareketi квазичастиц, подсвечивая grafen lazer. «Şimdi bu izlenir» diyor. «Dış nodüller, televizyon gibi manyetik alan ve ışık kontrol edilebilir, enerji hatları çekin veya terhis. Değişen doğa toplu değişiklik».

Manipülasyon квазичастицами oluşturmak için izin özel bir türü кубита — topolojik qubit. Topoloji bir alandır matematik çalışmaları bir nesnenin özellikleri, değişmez olsa bile, bu nesne, bükülmüş veya deforme. Standart örnek — donut: olsaydı mükemmel elastik olabilirdi переформировать bir kahve, bir fincan, bir şey pek değişmiyor; bir delik пончике olacak yeni bir rol delik kolu bardak. Ancak, açmak için çörek simit eklemek zorunda ve ona yeni bir delik, değişen topoloji.

Topolojik qubit, kendi özellikleri korur, hatta değişen koşullar altında. Genellikle parçacıklar değiştirmek, onun kuantum durumunu, ya da «декогерируют», bozulur, bir şey onların çevrili,gibi küçük bir titreşim neden olduğu ısı. Ama yaparsanız qubit iki квазичастиц ayrılmış bazı mesafe, diyelim ki, karşıt ucunda nanowires, aslında расщепите elektron. Her iki «yarım» olacaktır yaşamaya aynı ihlali için декогерировать, böyle bir ihtimal olur.

Bu özellik, sizin topolojik qubits çekici için kuantum bilgisayarlar. Yeteneği кубита olmak süperpozisyon gibi durumların aynı anda, kuantum bilgisayar için bir yetenekli üretmek neredeyse imkansız onlar olmadan, hesaplama, örneğin, simüle etmek Büyük bir Patlama. Манфра, aslında, oluşturmak için çalışan kuantum bilgisayarları topolojik cubit, Microsoft. Ama daha basit yaklaşımlar. Google ve IBM, aslında, oluşturmak için çalışıyoruz kuantum bilgisayar tabanlı переохлажденных teller haline gelen yarı iletkenler, ya da iyonize atomlar, vakum odası, tutulan lazerler. Sorun, bu tür yaklaşımlar gibi, onlar büyük ölçüde değişikliklere duyarlı bir çevre, daha topolojik qubits, özellikle sayısı cubit büyüyor.

Bu nedenle, topolojik qubits yol açabilir devrim bizim yeteneği işlemek için küçük şeyler. Ancak bir önemli sorun: henüz yok. Araştırmacılar için mücadele oluşturmak için onları sözde майорановских parçacık. Önerilen Ettore Майораной 1937 yılında, bu parçacık, kendine античастицей. Elektron ve onun античастица, pozitron, aynı özellikleri, uzun pil ama şarj майорановской parçacıklar sıfır olacaktır.

Bilim adamları, bazı yapılandırma elektron ve delik (elektron eksikliği) gibi davranabilir майорановские parçacıklar. Onları, sırayla, olarak kullanabilirsiniz topolojik cubit. 2012 yılında, fizikçi Leo Коувенховен Teknoloji üniversitesi, Delft, Hollanda'da ve arkadaşları ölçülen bir şey gibi geldi onlara майорановскими parçacıklar ağ сверхпроводниковых ve yarı iletken нанопроводов. Ama kanıtlamak için tek yol var, bu квазичастиц oluşturmak olacaktır topolojik кубита onlara göre.

Diğer uzmanlar, bu alanda yapılandırılmış daha iyimser. «Bence herhangi bir soru olmadan birisi bir kez yaratacak topolojik qubit, sadece ilgi uğruna,» diyor Steve Simon, kuramcısı yoğun madde Oxford üniversitesi. «Tek soru, biz de onları bir kuantum bilgisayar»gelecek.

Kuantum bilgisayarlar, — de ve yüksek sıcaklık süper iletkenler ve невзламываемое kuantum şifreleme görünebilir yıllar sonra veya hiçbir görünür asla. Ama aynı zamanda bilim adamları için çalışıyoruz deşifre bilmeceler doğa en küçük bir ölçekte. Henüz kimse bilmiyor, ne kadar başarılı olursa uğrayın. Daha derin bir biz giriyoruz, ufak parçaları, Evren, daha güçlü onlar bizi iten.