Наскільки складно підкорити квантову природу речовини?

Метт Трушейм включає рубильник в темній лабораторії, і потужний зелений лазер підсвічує крихітний алмаз, що утримується на місці під об'єктивом мікроскопа. На екрані комп'ютера з'являється зображення, дифузне газова хмара, всіяне яскравими зеленими крапками. Ці світні точки — крихітні дефекти всередині алмазу, в яких два атоми вуглецю замінені одним атомом олова. Світло лазера, проходячи через них, переходить з одного зеленого відтінку в інший.

Пізніше цей алмаз буде охолоджений до температури рідкого гелію. Контролюючи кристалічну структуру алмазу атом за атомом, доводячи його до декількох градусів вище абсолютного нуля і застосовуючи магнітне поле, дослідники з Лабораторії квантової фотоніки під керівництвом фізика Дірка Энглунда в Массачусетському технологічному інституті думають, що можуть з такою точністю вибрати квантово-механічні властивості фотонів та електронів, що їм вдасться передати невзламываемые секретні коди.

Трушейм — один з безлічі вчених, які намагаються з'ясувати, які атоми, укладені в кристалах, при яких умовах дозволять їм отримати контроль такого рівня. По суті, вчені з усього світу намагаються навчитися керувати природою на рівні атомів і нижче, до електронів або навіть частки електрона. Їх мета — знайти сайти, які контролюють фундаментальні властивості речовини і енергії, і затягнути або розплутати ці вузли, змінивши речовину і енергію, створити надпотужні квантові комп'ютери або надпровідники, що працюють при кімнатній температурі.

Ці вчені стикаються з двома основними проблемами. На технічному рівні проводити такі роботи дуже складно. Деякі кристали, наприклад, повинні бути на 99,99999999% чистими у вакуумних камерах чистіше космосу. Ще більш фундаментальна задача в тому, що квантові ефекти, які хочуть приборкати вчені, — наприклад, здатність частинки знаходитися в двох станах одночасно, подібно кота Шредінгера проявляються на рівні окремих електронів. У макросвіті ця магія руйнується. Отже, вченим доводиться маніпулювати речовиною в дрібних масштабах, і вони обмежені межами фундаментальної фізики. Від їхнього успіху залежить, як зміниться наше розуміння науки і технологічних можливостей у прийдешні десятиліття.

Мрія алхіміка

Маніпулювання речовиною, до певної міри, полягає в управлінні електронами. Зрештою, поведінку електронів в речовині визначає його властивості в цілому — це речовина металом, провідником, магнітом або чим-небудь ще. Деякі вчені намагаються змінити колективне поведінка електронів, створивши квантове синтетична речовина. Учені бачать, як «ми беремо ізолятор і перетворюємо його в метал або напівпровідник, а потім в надпровідник. Ми можемо перетворити немагнітний матеріал в магнітний», говорить фізик Єва Андрій з Університету Рутгерса. «Це виконання мрії алхіміка».

І ця мрія може призвести до справжніх проривів. Приміром, вчені на протягом десятиліть намагалися створити надпровідники, що працюють при кімнатній температурі. З допомогою цих матеріалів можна було б створювати лінії електропередач, не втрачають енергію. У 1957 році фізики Джон Бардін, Леон Купер і Джон Роберт Шриффер продемонстрували, що надпровідність з'являється, коли вільні електрони в металі начебто алюмінію вирівнюються так звані пари Купера. Навіть перебуваючи відносно далеко, кожен електрон відповідав іншого, володіє протилежним спіном і імпульсом. Немов пари, які танцюють в натовпі на дискотеці, спарені електрони рухаються в координації з іншими, навіть якщо інші електрони проходять між ними.

Це вирівнювання дозволяє протікання струму через матеріал, не зустрічаючи опору, а значить, і без втрат. Найпрактичніші надпровідники, розроблені до нинішнього моменту, повинні бути при температурі трохи вище абсолютного нуля, щоб це стан зберігалося. Втім, .

останнім часом дослідники виявили, що обстріл матеріалу високоінтенсивним лазером також може збивати електрони в куперовские пари, хай і ненадовго. Андреа Каваллери з Інституту будови і динаміки матерії Макса Планка в Гамбурзі, Німеччина, і його колеги виявили ознаки фотоіндукованої надпровідності в металах та ізоляторах. Світло, вражаючи матеріал, змушує атоми вібрувати, і електрони ненадовго входять у стан надпровідності. «Струс повинна бути запеклою», говорить Девід Есі, фізик конденсованих речовин в Каліфорнійському технологічному інституті, який використовує таку ж лазерну техніку для прояву незвичайних квантових ефектів в інших матеріалах. «На мить електричне поле стає дуже сильним — але тільки на короткий час».

Невзламываемые коди

Управління електронами — ось як Трушейм і Енглунд мають намір розробити невзламываемое квантове шифрування. У їх випадку мета не в тому, щоб змінювати властивості матеріалів, але передавати квантові властивості електронів в дизайнерських алмазах фотонам, які передають криптографічні ключі. У колірних центрах алмазах в лабораторії Энглунда розташовані вільні електрони, спини яких можна виміряти за допомогою сильного магнітного поля. Спін, який вирівнюється з полем, можна назвати спіном 1, спін, який не вирівнюється, — спіном 2, що буде еквівалентно 1 і 0 в цифровому біті. «Це квантова частинка, тому вона може бути в обох станах одночасно», говоритьЕнглунд. Квантовий біт, або кубіт, здатний виробляти безліч обчислень одночасно.

Саме тут народжується загадкова властивість — квантова заплутаність. Уявіть собі коробку, містить червоний і синій кульки. Ви можете взяти один не дивлячись і сунути в кишеню, а потім виїхати в інше місто. Потім вийняти кульку з кишені і виявити, що він червоний. Ви відразу зрозумієте, що в коробці залишився синій кулька. Це заплутаність. У квантовому світі цей ефект дозволяє передавати інформацію миттєво і на великі відстані.

Кольорові центри в алмазі в лабораторії Энглунда передають квантові стани електронів, укладених в них, фотонам за допомогою заплутаності, створюючи «літаючі кубіти», як їх називає Енглунд. У звичайних оптичних комунікаціях фотон можна передати одержувачу — в даному випадку інший вакантної порожнечі в алмазі — і його квантовий стан буде передано новому електрону, тому два електрони будуть пов'язані. Передача таких заплутаних бітів дозволить двом людям розділити криптографічний ключ. «У кожного є рядок нулів і одиниць, або верхніх та нижніх спінів, які здаються випадковими, але вони ідентичні», говорить Енглунд. Використовуючи цей ключ для шифрування переданих даних, можна зробити їх абсолютно захищеними. Якщо хтось захоче перехопити передачу, відправник буде про це знати, оскільки акт вимірювання квантового стану змінить її.

Енглунд експериментує з квантовою мережею, яка посилає фотони по оптоволокну через його лабораторію, об'єкт нижче по дорозі в Гарвардському університеті і іншої лабораторії Массачусетського технологічного інституту в сусідньому місті Лексінгтон. Вчені вже досягли успіху в передачі квантово-криптографічних ключів на великі відстані — в 2017 році китайські вчені повідомили, що передали такий ключ з супутника на орбіті Землі на дві наземні станції в 1200 кілометрах один від одного на горах Тибету. Але бітрейт китайського експерименту був занадто низьким для практичних комунікацій: вчені зафіксували лише одну заплутану пару з шести мільйонів. Інновація, яка зробить квантові криптографічні мережі на землі практичними, — це квантові повторювачі, пристрої, розміщені з інтервалами у мережі, які підсилюють сигнал, не змінюючи його квантових властивостей. Мета Энглунда — знайти матеріали з відповідними атомними дефектами, щоб з них можна було створити ці квантові повторювачі.

Трюк в тому, щоб створити досить заплутаних фотонів для перенесення даних. Електрон в азотозамещенной вакансії підтримує свій спін досить довго — близько секунди, що збільшує шанси на те, що світло лазера пройде через нього і зробить заплутаний фотон. Але атом азоту маленький і не заповнює простір, створений відсутністю вуглецю. Тому послідовні фотони можуть бути злегка різних кольорів, а значить, і втратять відповідність. Інші атоми, олово, наприклад, щільно прилягають і створюють стабільну довжину хвилі. Але вони не зможуть утримувати спін досить довго — отже, ведеться робота з пошуку ідеального рівноваги.

Розсічені кінці

Поки Енглунд та інші намагаються впоратися з окремими електронами, інші пірнають ще глибше в квантовий світ і намагаються маніпулювати вже частками електронів. Ця робота йде корінням в експеримент 1982 року, коли вчені з Лабораторії Белла і Національної лабораторії Лоуренса Лівермора зробили сендвіч з двох шарів різних напівпровідникових кристалів, охолодили їх майже до абсолютного нуля і застосували до них сильне магнітне поле, заточивши електрони в площині між двома шарами кристалів. Так сформувався свого роду квантовий бульйон, в якому рух будь-якого окремого електрона визначалося зарядами, які він відчував від інших електронів. «Це вже не окремі частинки самі по собі», говорить Майкл Манфра з Університету Пердью. «Уявіть собі балет, в якому кожен танцюрист не тільки робить власні па, але й реагує на рух партнера або інших танцюристів. Це в деякому роді загальну відповідь».

Дивно в усьому цьому те, що у такої колекції можуть бути дробові заряди. Електрон — це неподільна одиниця, її не розріжеш на три частини, але група електронів в потрібному стані може провести так звану квазичастицу з 1/3 заряду. «Ніби електрони діляться на частини», говорить Мохаммед Хафези, фізик з Joint Quantum Institute. «Це дуже дивно». Хафези створив цей ефект у сверххолодном графені, одноатомні шарі вуглецю, і нещодавно показав, що може маніпулювати рухом квазічастинок, підсвічуючи графен лазером. «Тепер це контролюється», говорить він. «Зовнішніми вузликами, такими як магнітним полем і світлом, можна управляти, підтягувати чи розпускати. Змінюється природа колективних змін».

Маніпуляції з квазічастинками дозволяють створити особливий тип кубіта — топологічний кубіт. Топологія — це галузь математики, що вивчає властивості об'єкта, які не змінюються, навіть якщо цей об'єкт скручується або деформується. Стандартний приклад — пончик: якщо б він був ідеально еластичним, його можна було б переформувати в кавову чашку, нічого особливо не змінюючи; дірка в пончику буде грати нову роль в отворі в ручці чашки. Однак, щоб перетворити пончик в крендель, доведеться додати йому нових дір, змінюючи його топологію.

Топологічний кубіт зберігає свої властивості навіть при змінних умовах. Зазвичай частинки змінюють свої квантові стани, або «декогерируют», коли порушується щось в їх оточенні,зразок невеликих вібрацій, викликаних теплом. Але якщо ви зробите кубіт з двох квазічастинок, розділених деякою відстанню, скажімо, на протилежних кінцях нанодроту, ви по суті розщепіть електрон. Обидві «половинки» повинні будуть випробувати одне і те ж порушення, щоб декогерировать, а таке малоймовірно, що станеться.

Це властивість робить топологічні кубіти привабливими для квантових комп'ютерів. Із-за здатності кубіта бути в суперпозиції безлічі станів одночасно, квантові комп'ютери повинні бути здатними виробляти практично неможливі без них обчислення, наприклад, моделювати Великий Вибух. Манфра, по суті, намагається створити квантові комп'ютери з топологічних кубітів в Microsoft. Але є і більш прості підходи. Google і IBM, по суті, намагаються створити квантові комп'ютери на основі переохолоджених проводів, які стають напівпровідниками, або іонізованих атомів у вакуумній камері, утримуваних лазерами. Проблема таких підходів у тому, що вони більшою мірою чутливі до змін навколишнього середовища, ніж топологічні кубіти, особливо якщо число кубітів зростає.

Таким чином, топологічні кубіти можуть привести до революції в нашій здатності маніпулювати крихітними речами. Проте є одна суттєва проблема: їх поки не існує. Дослідники з усіх сил намагаються створити їх з так званих майоранівських частинок. Запропонована Етторе Майораной в 1937 році, ця частка є сама собі античастинкою. Електрон і його античастинка, позитрон, мають ідентичні властивості, крім заряду, але заряд майорановской частинки дорівнює нулю.

Вчені вважають, що певні конфігурації електронів і дірок (відсутність електронів) можуть вести себе як майоранівські частинки. Їх, у свою чергу, можна використовувати в якості топологічних кубітів. У 2012 році фізик Лео Коувенховен з Технологічного університету Делфта в Нідерландах і його колеги виміряли те, що здалося їм майорановскими частками в мережі надпровідникових і напівпровідникових нанопроводів. Але єдиним способом довести існувати цих квазічастинок буде створення топологічного кубіта на їх основі.

Інші експерти в цій галузі налаштовані більш оптимістично. «Думаю, що без яких-небудь питань хтось створить топологічний кубіт, просто заради інтересу», говорить Стів Саймон, теоретик конденсованих речовин в Оксфордському університеті. «Питання лише в тому, чи зможемо ми зробити з них квантовий комп'ютер майбутнього».

Квантові комп'ютери — так само як і високотемпературні надпровідники і невзламываемое квантове шифрування — можуть з'явитися через багато років або не з'явитися ніколи. Але в той же час вчені намагаються розшифрувати загадки природи в дрібних масштабах. Поки ніхто не знає, наскільки далеко вдасться зайти. Чим глибше ми проникаємо в найдрібніші складові нашого Всесвіту, тим сильніше вони нас виштовхують.