Matt Trushheim kääntää kytkimen pimeässä laboratoriossa, ja voimakas vihreä laser valaisee pienen timantin, jota pidetään paikallaan mikroskoopin objektiivin alla. Tietokoneen näytölle ilmestyy kuva, diffuusi kaasupilvi, jossa on kirkkaita vihreitä pisteitä. Nämä hehkuvat pisteet ovat pieniä vikoja timantin sisällä, jossa kaksi hiiliatomia on korvattu yhdellä tinatomilla. Niiden läpi kulkeva laservalo kulkee vihreästä sävystä toiseen.
Myöhemmin tämä timantti jäähdytetään nestemäisen heliumin lämpötilaan. Kontrolloimalla timanttiatomin kristallirakennetta atomilla, nostamalla sen muutamaan asteeseen absoluuttisen nollan yläpuolelle ja soveltamalla magneettikenttää, Quantum Photonics Laboratoryn tutkijat, jota johtaa MIT: n fyysikko Dirk Englund, uskovat voivansa valita fotonien ja elektronien kvanttimekaaniset ominaisuudet niin tarkasti. että he pystyvät siirtämään särkymättömiä salakoodeja.
Trushheim on yksi monista tutkijoista, jotka yrittävät selvittää, mitkä kiteisiin suljetut atomit missä olosuhteissa antavat heille mahdollisuuden hallita tätä tasoa. Itse asiassa tutkijat ympäri maailmaa yrittävät oppia hallitsemaan luontoa atomien tasolla ja alapuolella, elektroneihin tai jopa murto-osaan elektronista. Heidän tavoitteenaan on löytää solmut, jotka hallitsevat aineen ja energian perusominaisuuksia ja kiristävät tai purkavat nämä solmut muuttamalla ainetta ja energiaa, luomaan erittäin tehokkaita kvanttitietokoneita tai suprajohteita, jotka toimivat huoneenlämmössä.
Näillä tutkijoilla on kaksi suurta haastetta. Teknisellä tasolla tällaisen työn suorittaminen on erittäin vaikeaa. Esimerkiksi joidenkin kiteiden on oltava 99,99999999% puhtaita tyhjökammioissa puhtaampia kuin avaruus. Vielä perustavanlaatuisempi haaste on se, että kvanttivaikutukset, joita tutkijat haluavat hillitä - esimerkiksi hiukkasen kyky olla kahdessa tilassa samanaikaisesti, kuten Schrödingerin kissa - näkyvät yksittäisten elektronien tasolla. Makrokosmosissa tämä taika romahtaa. Tämän seurauksena tutkijoiden on manipuloitava ainetta pienimmässä mittakaavassa, ja niitä rajoittavat perusfysiikan rajat. Heidän menestyksensä määrää, kuinka tietämyksemme ja tekniset kykymme muuttuvat tulevina vuosikymmeninä.
Alkemisti unelma
Aineen manipulointi koostuu jossain määrin elektronien manipuloinnista. Loppujen lopuksi elektronien käyttäytyminen aineessa määrää sen ominaisuudet kokonaisuutena - tästä aineesta tulee metalli, johdin, magneetti tai jokin muu. Jotkut tutkijat yrittävät muuttaa elektronien kollektiivista käyttäytymistä luomalla kvanttisynteettisen aineen. Tutkijat näkevät kuinka "otamme eristimen ja muutamme sen metalliksi tai puolijohteeksi ja sitten suprajohteeksi. Voimme muuttaa ei-magneettisen materiaalin magneettiseksi materiaaliksi”, sanoo fyysikko Eva Andrew Rutgersin yliopistosta. "Tämä on alkemistin unelma."
Ja tämä unelma voi johtaa todellisiin läpimurtoihin. Esimerkiksi tutkijat ovat vuosikymmenien ajan yrittäneet luoda suprajohteita, jotka toimivat huoneenlämmössä. Näiden materiaalien avulla olisi mahdollista luoda voimajohtoja, jotka eivät tuhlaa energiaa. Vuonna 1957 fyysikot John Bardeen, Leon Cooper ja John Robert Schrieffer osoittivat, että suprajohtavuutta tapahtuu, kun alumiinin kaltaisen metallin vapaat elektronit kohdistuvat ns. Cooper-pareiksi. Vaikka olisivatkin suhteellisen kaukana, kukin elektroni vastasi toista, päinvastoin spin ja vauhti. Kuten pariskunnat tanssivat väkijoukossa diskossa, parilliset elektronit liikkuvat koordinoidusti muiden kanssa, vaikka muut elektronit kulkisivat niiden välillä.
Mainosvideo:
Tämä suuntaus antaa virran kulkea materiaalin läpi ilman vastusta ja siten häviöttömästi. Tähän päivään asti kehitetyimpien käytännöllisimpien suprajohteiden on oltava lämpötiloissa, jotka ovat hieman absoluuttisen nollan yläpuolella, jotta tämä tila säilyy. Siellä voi kuitenkin olla poikkeuksia.
Viime aikoina tutkijat ovat havainneet, että materiaalin pommittaminen suuritehoisella laserilla voi myös lyödä elektroneja Cooper-pareiksi, vaikkakin lyhyesti. Andrea Cavalleri Max Planckin instituutista aineen rakenteeseen ja dynamiikkaan Hampurissa, Saksassa, ja hänen kollegansa ovat löytäneet merkkejä fotoindusoidusta suprajohtavuudesta metallissa ja eristeissä. Materiaaliin törmäävä valo saa atomit värisemään, ja elektronit siirtyvät hetkeksi suprajohtavaan tilaan. "Ravistamisen on oltava kovaa", sanoo Kalifornian teknillisen instituutin tiivistetyn aineen fyysikko David Esie, joka käyttää samaa lasertekniikkaa epätavallisten kvanttiefektien ilmentämiseksi muissa materiaaleissa. "Hetkeksi sähkökenttä muuttuu erittäin voimakkaaksi - mutta vain lyhyeksi ajaksi."
Rikkomattomat koodit
Trushheim ja Englund pyrkivät kehittämään rikkoutumatonta kvanttisalausta elektronien manipuloinnilla. Niiden tapauksessa tavoitteena ei ole muuttaa materiaalien ominaisuuksia, vaan siirtää suunnittelutimanttien elektronien kvanttiominaisuudet salausavaimia lähettäviin fotoneihin. Englannin laboratorion timanttien värikeskukset sisältävät vapaita elektroneja, joiden pyöriä voidaan mitata vahvalla magneettikentällä. Pyöräytystä, joka kohdistuu kentän kanssa, voidaan kutsua spin 1: ksi, spin, joka ei kohdistu, on spin 2, joka vastaisi arvoa 1 ja 0 digitaalisessa bitissä. "Se on kvanttihiukkanen, joten se voi olla molemmissa tiloissa samanaikaisesti", Englund sanoo. Kvanttibitti tai kvbitti pystyy suorittamaan useita laskelmia samanaikaisesti.
Täällä syntyy salaperäinen omaisuus - kvantti-takertuminen. Kuvittele laatikko, joka sisältää punaisia ja sinisiä palloja. Voit ottaa yhden katsomatta ja laittaa sen taskuusi ja lähteä sitten toiseen kaupunkiin. Ota sitten pallo taskustasi ja huomaa, että se on punainen. Ymmärrät heti, että laatikossa on sininen pallo. Tämä on sekaannusta. Kvanttimaailmassa tämä vaikutus mahdollistaa tiedon välittämisen välittömästi ja pitkiä matkoja.
Värilliset keskukset timantissa Englundin laboratoriossa välittävät niiden sisältämien elektronien kvanttitilat fotoneihin sotkeutumisen kautta, mikä luo "lentäviä kbiittejä", kuten Englund kutsuu heitä. Tavanomaisessa optisessa viestinnässä fotoni voidaan välittää vastaanottajalle - tässä tapauksessa toinen tyhjä aukko timantissa - ja sen kvanttitila siirtyy uuteen elektroniin, joten nämä kaksi elektronia ovat sitoutuneet. Näiden hämmentyneiden bittien lähettäminen antaa kahden ihmisen jakaa salausavaimen. "Jokaisella on merkkijono nollia ja yksi tai korkea tai matala pyörii, jotka näyttävät täysin satunnaisilta, mutta ne ovat identtisiä", Englund sanoo. Tämän avaimen avulla voit salata lähetetyt tiedot, jotta voit tehdä niistä täysin turvalliset. Jos joku haluaa siepata lähetyksen, lähettäjä tietää siitä,koska kvanttitilan mittaus muuttaa sitä.
Englund kokeilee kvanttiverkkoa, joka lähettää fotoneja alas optista kuitua laboratorionsa, kohteen Harvardin yliopiston tiellä olevan kohteen ja toisen MIT-laboratorion kautta läheisessä Lexingtonissa. Tutkijat ovat jo onnistuneet siirtämään kvanttikoodausavaimia pitkiä matkoja - vuonna 2017 kiinalaiset tutkijat kertoivat siirtäneensä tällaisen avaimen maapallon kiertoradalta tulevaan satelliittiin kahteen maa-asemaan 1200 kilometrin päässä toisistaan Tiibetin vuoristossa. Mutta kiinalaisen kokeen bittinopeus oli liian matala käytännön viestintään: tutkijat tallensivat vain yhden hämmentävän parin kuudesta miljoonasta. Innovaatio, joka tekee salauskvanttiverkostoista käytännöllisiä maan päällä, ovat kvanttitoistimet, verkon väliin sijoitetut laitteet, jotka vahvistavat signaalia,muuttamatta sen kvanttiominaisuuksia. Englundin tavoitteena on löytää materiaaleja, joilla on sopivia atomivirheitä, jotta nämä kvanttitoistimet voidaan luoda niistä.
Temppu on luoda tarpeeksi sotkeutuneita fotoneja tietojen kuljettamiseksi. Typpisubstituoidussa avoimessa tilassa oleva elektroni ylläpitää pyörimistään riittävän kauan - noin sekunnin ajan - mikä lisää todennäköisyyttä, että laservalo kulkee sen läpi ja tuottaa takertuneen fotonin. Typpiatomi on kuitenkin pieni eikä täytä tilaa, joka syntyy hiilen puuttumisesta. Siksi peräkkäiset fotonit voivat olla hieman erivärisiä, mikä tarkoittaa, että ne menettävät kirjeenvaihdon. Esimerkiksi muut atomit, tina, tarttuvat tiukasti ja luovat vakaan aallonpituuden. Mutta he eivät pysty pitämään pyörimistä tarpeeksi kauan - siksi työ on käynnissä täydellisen tasapainon löytämiseksi.
Kaksihaaraisia
Kun Englund ja muut yrittävät selviytyä yksittäisistä elektroneista, toiset sukeltavat syvemmälle kvanttimaailmaan ja yrittävät manipuloida elektronien osaa. Tämä työ on juurtunut kokeeseen vuonna 1982, jolloin Bell Laboratoriesin ja Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion tutkijat sijoittivat kaksi kerrosta erilaisia puolijohdekiteitä, jäähdyttivät ne lähes absoluuttiseen nollaan ja levittivät niihin voimakkaan magneettikentän, vangitsemalla elektroneja kahden kiteisen kerroksen väliin. … Siten muodostui eräänlainen kvantti keitto, jossa minkä tahansa yksittäisen elektronin liike määritettiin varauksilla, jotka se tunsi muista elektroneista. "Nämä eivät ole itsessään enää yksittäisiä hiukkasia", sanoo Michael Manfra Purdue-yliopistosta. Kuvittele baletti, jossa kukin tanssija ei vain tee omia askeleitaan,mutta reagoi myös kumppanin tai muiden tanssijoiden liikkeisiin. Se on eräänlainen yleinen vastaus."
Kaikessa omituinen asia on, että tällaisella kokoelmalla voi olla murto-osuuksia. Elektroni on jakamaton yksikkö, sitä ei voida leikata kolmeen osaan, mutta elektroniryhmä halutussa tilassa voi tuottaa ns. Kvashiukkasen 1/3 varauksella. "Se on kuin elektronit jakautuvat", sanoo yhteisen kvantti-instituutin fyysikko Mohammed Hafezi. "Se on hyvin outoa". Hafezi loi tämän vaikutuksen ultrakylmässä grafeenissa, monatomisessa hiilikerroksessa, ja osoitti äskettäin, että hän voi manipuloida kvashiukkasten liikettä valaisemalla grafeenia laserilla. "Sitä seurataan nyt", hän sanoo.”Ulkoisia kyhmyjä, kuten magneettikenttiä ja valoa, voidaan manipuloida, vetää ylös tai sitoa. Kollektiivisen muutoksen luonne muuttuu."
Quasiparticle manipulointi antaa sinulle mahdollisuuden luoda erityinen tyyppinen kiitti - topologinen kiitti. Topologia on matematiikan haara, joka tutkii kohteen ominaisuuksia, jotka eivät muutu, vaikka kohde olisi vääntynyt tai epämuodostunut. Tyypillinen esimerkki on munkki: jos se olisi täysin joustava, se voitaisiin muuttaa kahvikupiksi muuttamatta mitään paljon; donitsin reikällä on uusi rooli kupin kahvan reiässä. Kuitenkin, jotta munkki muutetaan suolarinkiksi, sinun on lisättävä siihen uusia reikiä muuttamalla sen topologiaa.
Topologinen qubit säilyttää ominaisuutensa myös muuttuvissa olosuhteissa. Yleensä hiukkaset muuttavat kvanttitilojaan tai "dekohereitaan", kun jokin heidän ympäristössään häiriintyy, kuten pienet lämmön aiheuttamat tärinät. Mutta jos teet kbitin kahdesta pienhiukkasesta, jotka on erotettu toisistaan tietyllä etäisyydellä, esimerkiksi nanojohdon vastakkaisista päistä, jaat olennaisesti elektronin. Molempien puoliskojen tulisi kokea sama rikkomus dekoheroidakseen, mikä on epätodennäköistä.
Tämä ominaisuus tekee topologisista kviteistä houkuttelevia kvanttitietokoneille. Koska kybitti pystyy olemaan samanaikaisesti monien tilojen päällekkäisyydessä, kvanttitietokoneiden on kyettävä suorittamaan laskelmia, jotka ovat käytännössä mahdotonta ilman niitä, esimerkiksi simuloimaan Suurta Bangta. Manfra pyrkii pohjimmiltaan rakentamaan kvanttitietokoneita Microsoftin topologisista lajeista. Mutta on myös yksinkertaisempia lähestymistapoja. Google ja IBM yrittävät lähinnä rakentaa kvanttitietokoneita, jotka perustuvat ylijäähdytettyihin lankoihin, joista tulee puolijohteita tai ionisoituneita atomeja lasereiden pitämässä tyhjiökammiossa. Näiden lähestymistapojen ongelmana on, että ne ovat herkempiä ympäristömuutoksille kuin topologiset qubitit, varsinkin jos lopetusmäärien määrä kasvaa.
Siten topologiset qubitit voivat mullistaa kykymme manipuloida pieniä asioita. On kuitenkin yksi merkittävä ongelma: niitä ei ole vielä olemassa. Tutkijat yrittävät luoda niitä ns. Majorana-hiukkasista. Ettore Majoranan vuonna 1937 ehdottama hiukkanen on sen oma antihiukkanen. Elektronilla ja sen antihiukkasella, positronilla, on samanlaiset ominaisuudet lukuun ottamatta varausta, mutta Majorana-hiukkasen varaus on nolla.
Tutkijat uskovat, että tietyt elektronien ja reikien kokoonpanot (ei elektroneja) voivat käyttäytyä kuin Majorana-hiukkaset. Niitä puolestaan voidaan käyttää topologisina kiteinä. Vuonna 2012 fyysikko Leo Kouvenhoven Delftin teknillisestä yliopistosta Alankomaissa ja hänen kollegansa mittaivat Majoranan hiukkasia heidän mielestään suprajohtavien ja puolijohtavien nanojohtojen verkostossa. Mutta ainoa tapa todistaa näiden kvashiukkasten olemassaolo on luoda niihin perustuva topologinen sikiö.
Muut alan asiantuntijat ovat optimistisempia. "Luulen, että joku luulee ilman kysymyksiä topologisen jonon jonain päivänä vain huvin vuoksi", kertoo tiivistetyn aineen teoreetikko Steve Simon Oxfordin yliopistosta. "Ainoa kysymys on, voimmeko tehdä niistä tulevaisuuden kvanttitietokoneen."
Kvanttitietokoneet - samoin kuin korkean lämpötilan suprajohteet ja rikkoutumaton kvanttisalaus - saattavat näkyä monen vuoden päästä tai ei koskaan. Mutta samaan aikaan tutkijat yrittävät tulkita luonnon mysteerejä pienimmässä mittakaavassa. Toistaiseksi kukaan ei tiedä kuinka pitkälle he voivat mennä. Mitä syvemmälle tunkeutumme maailmankaikkeuden pienimpiin osiin, sitä enemmän ne työntävät meidät ulos.
Ilya Khel