Matt Trusheim innehåller en switch i en mörk laboratorium, och kraftfull grön laser lyser en liten diamant, som hålls på plats under linsen av ett mikroskop. På skärmen visas en bild av ett diffust moln av gas beströdd med ljusa gröna fläckar. Dessa fläckar med små defekter inne i diamond, där två kolatomer ersättas av en atom av tenn. Laserljuset passerar genom dem, övergår från en grön nyans till en annan.
Senare, diamond kyls till en temperatur av flytande helium. Kontrollera kristallin struktur diamond atom för atom, föra den till ett par grader över den absoluta nollpunkten och tillämpning av ett magnetfält, forskare från Laboratoriet för Fotonik av quantum physics under ledning av Dirk Englund på mit tror att de kan med sådan noggrannhet att välja den kvantmekaniska egenskaper av fotoner och elektroner att de kommer att kunna passera uncrackable hemliga koder.
Trusheim — en av många forskare som försöker ta reda på vilka atomer som finns inneslutna i kristaller, under vilka villkor kommer att låta dem styra denna nivå. I själva verket har forskare över hela världen försöker lära sig hur man styr karaktären på den nivå av atomer och under, för att elektroner, eller ens en bråkdel av en elektron. Deras mål är att hitta de noder som styr fundamentala egenskaper hos materia och energi, och dra åt eller riva upp de knutar, föränderlig materia och energi för att skapa en tunga kvantdatorer eller supraledare som fungerar vid rumstemperatur.
Dessa forskare står inför två stora problem. På teknisk nivå för att utföra sådant arbete är mycket svårt. Vissa kristaller, till exempel, måste vara 99,99999999% ren i vakuum kammare renare utrymme. En ännu mer grundläggande problem är att kvantmekaniska effekter, som vill tygla forskare — till exempel förmågan hos en partikel att vara i två Stater samtidigt, som schrodingers katt — manifesteras i den enskilda elektroner. I makrokosmos, den magiska kollapsar. Därför har forskare för att manipulera materia på de minsta skalorna och de är begränsade av de begränsningar av grundläggande fysik. Deras framgång beror på hur det kommer att förändra vår förståelse av vetenskap och teknisk kapacitet i de kommande årtiondena.
Alkemistens dröm
Manipulering av ett ämne till en viss utsträckning, är att styra elektronerna. I slutet beteendet hos elektroner i ett ämne som bestämmer dess egenskaper som helhet — är detta ämne som är en metall, en ledare, en magnet, eller något annat. Vissa forskare är att försöka förändra det kollektiva beteendet hos elektroner, vilket skapar ett stort syntetiskt ämne. Forskarna se hur “vi tar isolator och förvandla den till en metall-eller halvledare, och sedan i supraledare. Vi kan vända icke-magnetiska material i en magnetisk”, säger forskaren Eva Andrei från Rutgers University. “Drömmen alkemisten”.
Och denna dröm kan leda till verkliga genombrott. Till exempel, forskare i årtionden har försökt att skapa supraledare som fungerar vid rumstemperatur. Med hjälp av dessa material kan skapa linjer, för att inte förlora energi. I 1957, fysikerna John Bardeen, Leon Cooper och John Robert Shiffer visat att supraledning visas när elektroner i metaller som aluminium, även i så kallade Cooper-par. Även relativt långt bort, varje för att matcha den andra elektronen med motsatt spinn och fart. Som par dansa i publiken på disco, parade elektroner att röra sig i samordning med andra, även om de andra elektronerna är mellan dem.
Denna anpassning gör det möjligt nuvarande flöde genom materialet utan motstånd, och därmed utan förlust. Mest praktiska supraledare utvecklats till i dag bör vara vid en temperatur något över den absoluta nollpunkten att denna stat var bevarade. Men undantag kan finnas.
Nyligen fann forskarna att obstrelivanii material med hög intensitet laser kan också fånga elektroner i en Cooper-par, om än kortfattat. Andrea Cavalleri från Institutet för struktur och dynamik i fråga vid max Planck i Hamburg, Tyskland, och hans kollegor fann tecken på photoinduced supraledning i metaller och isolatorer. Ljus som träffar den materiella orsaker till att atomerna, och elektron kort går in i ett tillstånd av supraledning. “Shake-up bör vara hård, säger David ESI, fysiker av den kondenserade ämnen vid Caltech, som använder samma laser teknik för manifestationen av ovanliga kvantmekaniska effekter i andra material. “För ett ögonblick det elektriska fältet blir mycket stark — men bara för en kort tid.”
Uncrackable-koder
Hantering av elektroner — det är hur Trusheim och Englund har för avsikt att utveckla uncrackable kvantkryptering. I deras fall avsikten är inte att ändra egenskaperna för materialet, men för att överföra kvant av elektroner i designer diamanter fotoner, som överför den kryptografiska nycklar. I färg centrum av diamanter i laboratoriet Englund som ligger fria elektroner, snurrar som kan mätas med hjälp av ett starkt magnetfält. Spin, vilket är i linje med de fält, som kan kallas för spinn 1 spinn, som inte är anpassad, spin — 2 som kommer att vara likvärdig med 1 och 0 i digital bit. “Det är en kvantmekanisk partikel, så det kan vara i båda Länderna samtidigt, säger Englund. Quantum bit, eller kvantbit, kan utföra flera beräkningar samtidigt.
Det är här som är född av the riddle of quantum entanglement. Tänk dig en låda med röda och blå bollar. Du kan ta en utan att titta och lägga den i fickan, och sedan gå till en annan stad. Ta sedan bort glödlampan ur fickan och upptäcka att det är rött. Du vet vad som finns i rutan till vänster blå bollen. Detta är förvirring. I den kvantmekaniska världen, med denna effekt kan du skicka information momentant och över långa avstånd.
Färg centra i diamant i laboratoriet Englund överföra kvanttillstånd av elektroner inneslutna i dem, de fotoner med hjälp av sammanflätning, att skapa den “flygande qubits” som de kallar Englund. I vanlig optisk kommunikation, fotonen kan överföras till mottagaren, i det här fallet, den andra lediga tomrum i diamant och dess kvanttillstånd kommer att överföras till den nya electron, så två elektroner kommer att vara bunden. Den överföring av sådana komplicerade bitar som skulle göra det möjligt för två personer att dela en kryptografisk nyckel. “Alla har en sträng av ettor och nollor, eller övre och nedre spins, som verkar helt slumpmässigt, men de är identiska, säger Englund. Med hjälp av denna nyckel för att kryptera data överförs, är det möjligt att göra dem helt säker. Om någon vill avlyssna överföring, avsändaren vet om det, eftersom lagen för att mäta ett kvanttillstånd kommer att ändra på det.
Englund experimentera med quantum nätverk, som skickar fotoner via optisk fiber genom sitt labb, anläggning väg från Harvard University och en annan lab vid mit i den närliggande staden Lexington. Forskare har redan lyckats överföring av quantum kryptografiska nycklar över långa avstånd — 2017, Kinesiska forskare meddelade att de gav en nyckel av satellit i bana runt Jorden på två markstationer 1200 miles bort från varandra i bergen i Tibet. Men bitrate av den Kinesiska experimentet var för låg för praktisk kommunikation: forskare har registreras bara en förvirrande några av de sex miljoner. Den innovation som kommer att göra ett stort kryptografiska nätverk för jorden praktiska är quantum repeaters, enheter som är placerade på intervaller i nätverket, som förstärker signalen utan att ändra dess kvantmekaniska egenskaper. Englund mål är att hitta material med lämpliga atomic brister för att kunna skapa dessa quantum repeaters.
Tricket är att skapa tillräckligt av intrasslad fotoner för att överföra data. Elektron i attonement jobb upprätthåller dess spin länge nog — om en andra — vilket ökar chanserna att laserljuset passerar genom det och producera en tilltrasslad foton. Men kväveatomen är liten och inte fylla det utrymme som skapas genom frånvaron av kol. Därför konsekvent fotoner kan vara olika färger något, och därför förlorar matchen. Andra atomer, tenn, till exempel, hålla fast vid, och skapa en stabil våglängd. Men de kan inte hålla på att snurra länge nog — därför att arbeta för perfekt balans.
Kluvna hårtoppar
Medan Englund och andra är att försöka klara med enskilda elektroner, medan andra gör en djupdykning i den kvantmekaniska världen och försöker att manipulera delar redan elektroner. Detta arbete har sina rötter i ett experiment i 1982, när forskare från bell Labs och Lawrence Livermore National laboratory, gjorde en smörgås med två lager av olika halvledarmaterial kristaller, kyls dem nästan till absoluta nollpunkten och tillämpar dem på ett starkt magnetfält, bli elektroner i planet mellan två lager av kristaller. Det bildas en typ av quantum soppa i vilken rörelse varje enskild elektron bestäms av avgifter, som han kände från andra elektroner. “Det är inte de enskilda partiklarna i sig själva, säger Michael Manfra från Purdue University. “Tänk dig en balett där varje dansare gör inte bara sitt eget PA, utan också reagerar på rörelse av en partner eller andra dansare. Detta är typ av ett Generellt svar.”
Konstiga i allt detta är att en sådan insamling kan vara relativ avgifter. Elektronen är en odelbar enhet, det kommer inte att delas i tre delar, men den grupp av elektroner i rätt skick för att producera de så kallade kvasi-partikel med 1/3 kostnad. “Om elektronerna är uppdelad i delar, säger Mohammed Hafezi, en fysiker från den Gemensamma Quantum Institutet. “Det är mycket märkligt.” Hafezi skapat denna effekt i sverigeleden grafen, en enatomig lager av kol, och nyligen visade att han kan manipulera flödet av quasiparticles, lysande grafen med en laser. “Nu är det kontrolleras, säger han. “Externa knölar, som magnetiska fält och lättare kan manipuleras för att dra eller lös. Ändra kollektiva karaktär av förändring”.
Manipulation av quasiparticles kan du skapa en speciell typ av qubit och topologiska qubit. Topologi är ett område av matematiken som studerar egenskaper hos ett objekt som inte förändras även om objektet är vriden eller deformerade. Den vanliga exempel är donut: om det var helt elastisk, det kan omdefinieras i en kaffekopp, ingenting egentligen förändras, hål i donut kommer att spela en ny roll i hål i handtaget på Cup. Men att förvandla en donut till en kringla kommer att ha för att lägga till nya hål, ändra dess topologi.
Topologiska qubit bibehåller sina egenskaper även under varierande förhållanden. Typiskt, partiklar ändra sina kvanttillstånd, eller “decoherent” när en kränkning av något i sin omgivning som små vibrationer som orsakas av värme. Men om du gör en qubit av två kvasi-partiklar, separerade med ett avstånd, säg, på motsatta ändar av nanotrådar, du i princip laminat elektron. Båda “halvorna” kommer att uppleva samma brott till decoderesult, och det är osannolikt att så kommer att ske.
Den här egenskapen gör topologiska qubits är attraktiva för kvantdatorer. På grund av möjligheten av en qubit att vara i en superposition av flera Stater samtidigt, kvantdatorer bör kunna producera nästan omöjligt utan att beräkna dem, för att till exempel simulera Big Bang. Mantra, i själva verket, försöker skapa kvantdatorer av topologiska qubits i Microsoft. Men det finns fler enkla metoder. Google och IBM, i själva verket, försöker skapa kvantdatorer på grund av underkylt trådar som blivit halvledare eller joniserade atomer i en vakuumkammare, som hölls lasrar. Problemet med dessa metoder är att de är mer känsliga för förändringar i miljön än topologiska qubits, särskilt om antalet qubits växer.
Alltså, den topologiska kvantbit kan leda till en revolution i vår förmåga att manipulera små saker. Det finns dock ett stort problem: de inte finns ännu. Forskare som kämpar för att skapa dem från den så kallade Majorana partiklar. Föreslagna Ettore Majorana 1937, denna partikel är sin egen antipartikel. Elektron och dess antipartikel, positronen har identiska egenskaper med undantag för laddning, men avgiften för en Majorana partikel är noll.
Forskare tror att vissa konfigurationer av elektroner och hål (avsaknad av elektroner) kan bete sig som Majorana partiklar. De i sin tur kan användas som topologiska qubits. I 2012, fysiker Leo Kouwenhoven från Tekniska Universitetet i Delft i Nederländerna och hans kollegor mätt vad som verkade för dem vara Majorana partiklar i ett nätverk av supraledande och halvledande nanotrådar. Men det enda sättet att bevisa att existera dessa quasiparticles kommer att vara att skapa en topologisk kvantbit som bygger på dem.
Andra experter inom detta område är mer optimistiska. “Jag tror att utan några problem en dag kommer någon att skapa en topologisk kvantbit, bara för skojs skull,” säger Steve Simon, en teoretiker av kondenserade material vid Oxford University. “Frågan är bara om vi kommer att kunna göra dem quantum datorn i framtiden.”
Kvantdatorer — liksom högtemperatursupraledare och uncrackable kvantkryptering — kan uppstå efter många år eller inte visas aldrig. Men på samma gång, forskare försöker att dechiffrera mysterierna i naturen på de minsta skalorna. Även om ingen vet hur långt de kommer att kunna gå. Ju djupare vi tränger in i de minsta delarna av vårt Universum, ju mer de har drivit.
Hur svårt är det att erövra quantum typ av materia?
Ilya Hel