Matt Trushheim keerab pimedas laboris lülitit ja võimas roheline laser valgustab mikroskoobi objektiivi all kinni hoitud väikest teemanti. Arvutiekraanile ilmub pilt, erkroheliste täppidega täpiline hajutatud gaasipilv. Need helendavad täpid on väikesed defektid teemandi sees, milles kaks süsinikuaatomit asendatakse ühe tina aatomiga. Neid läbiv laservalgus läbib rohelist tooni teise.
Hiljem jahutatakse see teemant vedela heeliumi temperatuurini. Kontrollides teemandi aatomi kristallstruktuuri aatomi abil, viies selle paar kraadi absoluutsest nullist kõrgemale ja rakendades magnetvälja, arvavad Quantum Photonics Laboratory teadlased eesotsas MIT-i füüsik Dirk Englundiga, et nad saavad sellise täpsusega valida footonite ja elektronide kvantmehaanilised omadused. et nad suudavad edastada purunematuid salakoode.
Trushheim on üks paljudest teadlastest, kes püüab välja selgitada, millised aatomid, mis on kristallidesse suletud, mis tingimustel võimaldavad neil selle taseme üle kontrolli saavutada. Tegelikult üritavad teadlased üle kogu maailma õppida, kuidas kontrollida loodust aatomite tasemel ja allpool, elektronide või isegi murdosa elektronist. Nende eesmärk on leida sõlmed, mis kontrollivad aine ja energia põhiomadusi ning pingutavad või harutavad need sõlmed lahti aine ja energia muutmise abil, et luua ülivõimsad kvantarvutid või ülijuhid, mis töötaksid toatemperatuuril.
Need teadlased seisavad silmitsi kahe suure väljakutsega. Tehnilisel tasemel on sellist tööd väga keeruline teha. Näiteks peavad mõned kristallid olema vaakumkambrites 99,9999999999% puhtad kui kosmos. Veelgi põhimõttelisem väljakutse on see, et kvantefektid, mida teadlased soovivad ohjeldada, - näiteks osakese võime viibida korraga kahes olekus, nagu Schrödingeri kass - ilmnevad üksikute elektronide tasandil. Makrokosmoses variseb see maagia kokku. Järelikult peavad teadlased mateeriaga manipuleerima kõige väiksemas mahus ja neid piiravad põhifüüsika piirid. Nende edu määrab, kuidas muutub meie arusaam teadusest ja tehnoloogilistest võimalustest järgmistel aastakümnetel.
Alkeemiku unistus
Ainega manipuleerimine seisneb teatud määral elektronide manipuleerimises. Lõpuks määrab elektronide käitumine aines selle omadused tervikuna - sellest ainest saab metall, juht, magnet või midagi muud. Mõned teadlased üritavad kvant sünteetilise aine loomisega muuta elektronide kollektiivset käitumist. Teadlased näevad, kuidas „me võtame isolaatori ja muudame selle metalliks või pooljuhiks ning seejärel ülijuhiks. Me saame muuta mittemagnetilise materjali magnetiliseks,”ütleb füüsik Eva Andrew Rutgersi ülikoolist. "See on alkeemiku unistus."
Ja see unistus võib viia tõeliste läbimurreteni. Näiteks on teadlased aastakümneid proovinud luua toatemperatuuril töötavaid ülijuhte. Nende materjalide abil oleks võimalik luua elektriliinid, mis ei raiska energiat. 1957. aastal näitasid füüsikud John Bardeen, Leon Cooper ja John Robert Schrieffer, et ülijuhtivus tekib siis, kui alumiiniumis nagu alumiiniumis olevad vabad elektronid joonduvad nn Cooperi paaridena. Isegi suhteliselt kaugel olles vastas iga elektron teisele, vastupidise pöörlemise ja hooga. Nagu diskoteegis rahvamassi tantsivad paarid, liiguvad paaritatud elektronid teistega kooskõlastatult, isegi kui teised elektronid nende vahelt läbi lähevad.
Reklaamvideo:
See joondamine võimaldab voolul voolata läbi materjali ilma vastupanuta ja seetõttu kadudeta. Selle oleku püsimiseks peavad kõige praktilisemad tänaseks välja töötatud ülijuhid olema temperatuuril, mis on veidi üle absoluutse nulli. Siiski võib olla ka erandeid.
Hiljuti leidsid teadlased, et materjali pommitamine suure intensiivsusega laseriga võib elektronid ka lühidalt Cooperi paaridesse lüüa. Andrea Cavalleri Saksamaal Hamburgis asuva Max Plancki aine struktuuri ja dünaamika instituudist ning tema kolleegid on leidnud metallide ja isolaatorite fotoindutseeritud ülijuhtivuse märke. Materjali tabav valgus paneb aatomid vibreerima ja elektronid satuvad korraks ülijuhtivusseisundisse. "Raputamine peab olema äge," ütleb California Tehnoloogiainstituudi kondenseeritud aine füüsik David Esie, kes kasutab sama lasertehnikat teiste materjalide ebatavaliste kvantefektide avaldamiseks. "Korraks muutub elektriväli väga tugevaks - kuid ainult lühikeseks ajaks."
Murdmatud koodid
Elektroonide kontrollimine on see, kuidas Trushheim ja Englund kavatsesid välja töötada purunematu kvantkrüptimise. Nende puhul pole eesmärk muuta materjalide omadusi, vaid disaindemantides olevate elektronide kvantomaduste ülekandmine krüptograafilisi võtmeid edastavatele footonitele. Englundi labori teemantide värvikeskustes asuvad vabad elektronid, mille pöörlemist saab mõõta tugeva magnetvälja abil. Spinniga, mis joondub väljaga, võib nimetada spin 1, pöörlemiseks, mis ei joondu, on spin 2, mis võrduks digitaalse bitiga 1 ja 0-ga. "See on kvantosake, nii et see võib olla mõlemas olekus korraga," ütleb Englund. Kvantbitt ehk kubit on võimeline samaaegselt sooritama paljusid arvutusi.
Siin sünnib salapärane vara - kvantpõimumine. Kujutage ette punast ja sinist palli sisaldavat kasti. Võite ühe võtta ilma pilku vaatamata ja taskusse pista ning seejärel lahkuda teise linna poole. Seejärel võta pall taskust välja ja leia, et see on punane. Saate kohe aru, et kastis on sinine pall. See on segadus. Kvantmaailmas võimaldab see efekt teavet edastada koheselt ja pikkade vahemaade tagant.
Englundi laboratooriumi teemandi värvilised keskpunktid edastavad neis sisalduvate elektronide kvantseisundid haardumise kaudu footonitele, tekitades "lendavaid kubiite", nagu Englund neid nimetab. Tavapärases optilises sides saab footoni edastada vastuvõtjale - antud juhul veel ühe tühja tühimiku teemandis - ja selle kvantolek läheb üle uuele elektronile, nii et kaks elektroni on seotud. Nende segaduses olevate bitide edastamine võimaldab krüptograafilist võtit jagada kahel inimesel. "Mõlemal on nöör nullid ja ühed ehk suured ja madalad keerutused, mis tunduvad täiesti juhuslikud, kuid on identsed," ütleb Englund. Selle võtme abil edastatavate andmete krüptimiseks saate need täiesti turvaliseks muuta. Kui keegi soovib edastuse pealtkuulata, saab saatja sellest teada,sest kvantseisundi mõõtmise akt muudab seda.
Englund katsetab kvantvõrku, mis saadab footoneid läbi tema labori, Harvardi ülikooli maanteel asuva objekti ja lähedal asuva Lexingtoni teise MIT-labori kaudu optilisi kiude. Teadlastel on juba õnnestunud kvantkrüptograafilisi võtmeid üle kanda pikkade vahemaade tagant - 2017. aastal teatasid Hiina teadlased, et nad edastasid sellise võtme Maa orbiidil olevalt satelliidilt kahele Tiibeti mägedes 1200 kilomeetri kaugusel asuvale maajaamale. Kuid Hiina katse bitikiirus oli praktilise suhtlemise jaoks liiga madal: teadlased registreerisid kuue miljoni seas vaid ühe segase paari. Uuendus, mis muudab krüptograafilised kvantvõrgud maa peal praktiliseks, on kvantkordajad, võrku intervallidega paigutatud seadmed, mis võimendavad signaali,selle kvantomadusi muutmata. Englundi eesmärk on leida sobivate aatomidefektidega materjalid, et neist saaks luua neid kvantkordajaid.
Trikk seisneb selles, et andmete kandmiseks tuleb luua piisavalt takerdunud footoneid. Lämmastikuga asendatud vakantsis olev elektron säilitab oma spinni piisavalt kaua - umbes sekundi jooksul -, mis suurendab tõenäosust, et laservalgus läbib seda ja tekitab takerdunud footoni. Kuid lämmastikuaatom on väike ega täida süsiniku puudumisest tekkinud ruumi. Seetõttu võivad järjestikused footonid olla veidi erinevat värvi, mis tähendab, et nad kaotavad kirjavahetuse. Näiteks teised aatomid, tina, kinnituvad tihedalt ja loovad stabiilse lainepikkuse. Kuid nad ei suuda keerutust piisavalt kaua hoida - seetõttu on täiusliku tasakaalu leidmiseks töö pooleli.
Katkised otsad
Kui Englund ja teised üritavad üksikute elektronidega hakkama saada, sukelduvad teised sügavamale kvantmaailma ja püüavad elektronide osaga manipuleerida. See töö on juurdunud 1982. aastal tehtud katses, kui Belli labori ja Lawrence Livermore'i riikliku labori teadlased panid kaks kihti erinevaid pooljuhtkristalle, jahutasid need absoluutse nulli lähedale ja rakendasid neile tugevat magnetvälja, püüdes elektronid kahe kristallikihi vahele. … Nii tekkis mingi kvant-supp, milles iga üksiku elektroni liikumine määrati laengute abil, mida see tundis teistelt elektronidelt. "Need ei ole enam iseenesest üksikud osakesed," ütleb Michael Manfra Purdue ülikoolist. "Kujutage ette balletti, kus iga tantsija teeb mitte ainult oma samme,vaid reageerib ka partneri või teiste tantsijate liikumisele. See on omamoodi üldine vastus."
Selle kõige kummalisem on see, et sellisel kollektsioonil võivad olla murdlaengud. Elektron on jagamatu üksus, seda ei saa jagada kolmeks osaks, kuid soovitud olekus olevate elektronide rühm võib toota nn kvaosakesi 1/3 laenguga. "See on nagu elektronide jagunemine," ütleb ühise kvantinstituudi füüsik Mohammed Hafezi. "See on väga kummaline". Hafezi lõi selle efekti ultrakülmas grafeenis, monatoomilises süsinikukihis, ja näitas hiljuti, et ta suudab manipuleerida kvaosakeste liikumisega, valgustades grafeeni laseriga. "Seda jälgitakse nüüd," ütleb ta. „Väliseid sõlme, näiteks magnetvälju ja valgust, saab manipuleerida, üles tõmmata või siduda. Kollektiivsete muutuste olemus muutub."
Kvaosakeste manipuleerimine võimaldab teil luua spetsiaalse tüüpi kbiidi - topoloogilise kbiidi. Topoloogia on matemaatika haru, mis uurib objekti omadusi, mis ei muutu isegi siis, kui see objekt on väändunud või deformeerunud. Tüüpiline näide on sõõrik: kui see oleks täiuslikult elastne, saaks selle ümber kujundada kohvitassi, ilma et midagi palju muudetaks; sõõriku auk mängib tassikäepideme augus uut rolli. Kuid sõõriku kringliks muutmiseks peate sellele lisama uusi auke, muutes selle topoloogiat.
Topoloogiline kubit säilitab oma omadused ka muutuvates tingimustes. Tavaliselt muudavad osakesed oma kvantolekuid või "dekohereerumist", kui midagi nende keskkonnas on häiritud, näiteks kuumuse põhjustatud väikesed vibratsioonid. Kuid kui teete kbiidi kahest kvaosakesest, mis on eraldatud teatud kaugusega, näiteks nanotraadi vastaskülgedest, siis jagate sisuliselt elektroni. Mõlemad pooled peaksid dekohveristamiseks kogema sama rikkumist, mis tõenäoliselt ei juhtu.
See omadus muudab topoloogilised akbitid kvantarvutite jaoks atraktiivseks. Kuna kubit suudab olla korraga paljude olekute superpositsioonis, peavad kvantarvutid suutma teha arvutusi, mis on ilma nendeta praktiliselt võimatud, näiteks Suure Paugu simuleerimiseks. Manfra üritab sisuliselt kvantarvuteid ehitada Microsofti topoloogilistest quitidest. Kuid on ka lihtsamaid lähenemisviise. Google ja IBM üritavad sisuliselt kvantarvuteid ehitada ülijahutatud juhtmetele, mis muutuvad pooljuhtideks või ioniseeritud aatomiteks vaakumkambris, mida laserid hoiavad. Nende lähenemisviiside probleem seisneb selles, et nad on keskkonnamuutuste suhtes tundlikumad kui topoloogilised quitid, eriti kui nende arv kasvab.
Seega võivad topoloogilised qubitid muuta meie võimet väikeste asjadega manipuleerida. Siiski on üks oluline probleem: neid pole veel olemas. Teadlased näevad vaeva, et neid nn Majorana osakestest luua. Ettore Majorana ettepanek 1937. aastal on see osake iseenda antiosake. Elektronil ja selle antiosakesel positronil on identsed omadused, välja arvatud laeng, kuid Majorana osakese laeng on null.
Teadlased usuvad, et teatud elektronide ja aukude konfiguratsioonid (ilma elektronideta) võivad käituda nagu Majorana osakesed. Neid saab omakorda kasutada topoloogiliste kvetitidena. 2012. aastal mõõtsid Hollandi Delfti tehnikaülikooli füüsik Leo Kouvenhoven ja tema kolleegid ülijuhtivate ja pooljuhtivate nanojuhtmete võrgus nende arvates Majorana osakesi. Kuid ainus viis nende kvaosakeste olemasolu tõestada on nende põhjal topoloogilise kbiidi loomine.
Teised selle valdkonna eksperdid on optimistlikumad. "Ma arvan, et ilma igasuguste küsimusteta loob keegi kunagi nalja pärast topoloogilise vooru," ütleb Oxfordi ülikooli kondenseeritud teoreetik Steve Simon. "Ainus küsimus on, kas me saame neist teha tuleviku kvantarvuti."
Kvantarvutid - nagu ka kõrgtemperatuursed ülijuhid ja purunematu kvantkrüptimine - võivad ilmuda paljude aastate pärast või mitte. Kuid samal ajal püüavad teadlased looduse saladusi lahti mõtestada kõige väiksemas mahus. Siiani ei tea keegi, kui kaugele nad minna võivad. Mida sügavamale me tungime oma universumi kõige väiksematesse komponentidesse, seda rohkem nad meid välja ajavad.
Ilja Khel
