Matt Trusheim omfatter en switch i en mørk laboratorium, og kraftig grøn laser lyser en lille diamant, holdes på plads under linsen af et mikroskop. På skærmen vises et billede af en diffus sky af gas oversået med lyse grønne pletter. Disse pletter — lille fejl inde i diamant, som to kulstofatomer erstattet af et atom af tin. Laser lys, der passerer gennem dem, går fra den ene grønne nuance til en anden.
Senere, diamond er nedkølet til den temperatur, der af flydende helium. Styring af den krystallinske struktur af diamant atom for atom, hvilket bringer det til et par grader over det absolutte nulpunkt og anvendelse af et magnetisk felt, forskere fra Laboratoriet for Fotonik kvantefysik under ledelse af Dirk Englund på mit tror, at de med en sådan nøjagtighed at vælge de kvantemekaniske egenskaber af fotoner og elektroner, at de vil være i stand til at passere uncrackable hemmelige koder.
Trusheim — en af de mange forskere, som forsøger at finde ud af, hvilke atomer, der er omgivet af krystaller, under hvilke betingelser vil give dem mulighed for at styre dette niveau. I virkeligheden, forskere over hele verden forsøger at lære at kontrollere naturen på niveau med atomer og nedenfor, at elektroner, eller endda en brøkdel af en elektron. Deres mål er at finde de knuder, der styrer de grundlæggende egenskaber af stof og energi, og stram eller løs dem, knob, ændring af stof og energi til at skabe en tunge quantum computere eller superledere, der virker ved stuetemperatur.
Disse forskere står over for to store problemer. På det tekniske niveau, til at udføre et sådant arbejde er meget vanskeligt. Nogle krystaller, for eksempel, skal være 99,99999999% ren i vakuum kamre renere plads. En stadig mere grundlæggende problem er, at kvantemekaniske effekter, som ønsker at styre forskere — for eksempel, evnen af en partikel til at være i to tilstande på samme tid, ligesom Schrodinger kat — er manifesteret i de enkelte elektroner. I makrokosmos, det magiske kollapser. Derfor er forskerne nødt til at manipulere med sagen på de mindste skalaer, og de er begrænset af grænserne for grundlæggende fysik. Deres succes afhænger af, hvordan det vil ændre vores forståelse af naturvidenskabelige og teknologiske kapaciteter i de kommende årtier.
Alkymistens drøm
Manipulation af et stof, der til en vis grad, er at styre elektronerne. I den sidste ende, opførslen af elektroner i et stof, der er bestemmende for dens egenskaber som helhed — er dette stof, som er et metal, en leder, en magnet, eller noget andet. Nogle forskere forsøger at ændre den kollektive adfærd af elektroner, der skaber en quantum syntetisk stof. Forskerne se, hvordan “vi tager isolator, og drej det ind i en metal-eller halvleder, og derefter i superlederen. Vi kan gøre ikke-magnetisk materiale i et magnetisk”, siger forsker Eva Andrei fra Rutgers University. “Drømmen alkymist”.
Og denne drøm kan føre til reelle gennembrud. For eksempel, forskere i årtier har forsøgt at skabe superledere, der virker ved stuetemperatur. Ved hjælp af disse materialer kunne skabe linjer, for ikke at miste energi. I 1957, fysikere John Bardeen, Leon Cooper og John Robert Shiffer vist, at superledning vises, når elektroner i metal som aluminium, selv i de såkaldte Cooper-par. Endnu er forholdsvis langt væk, hver til at matche den anden elektron, der har modsat spin og momentum. Som par og danse i mængden på diskoteket, parrede elektroner bevæge sig i samarbejde med andre, selv om andre elektroner, der er mellem dem.
Denne justering tillader strøm at løbe gennem materialet, uden modstand, og dermed uden tab. De fleste praktiske superledere, der er udviklet til dato, ved en temperatur lidt over det absolutte nul til denne tilstand, blev bevaret. Men undtagelser kan være.
For nylig, fandt forskerne, at obstrelivanii materiale af høj intensitet laser kan også fange elektroner i et Cooper par, omend kortvarigt. Andrea Cavalleri fra Institut for struktur og dynamik af sagen på max Planck i Hamburg, Tyskland, og hans kolleger fundet tegn på photoinduced superledning i metaller og isolatorer. Lyset, der rammer materialet får atomerne til at vibrere, og elektron kort ind i en tilstand af superledning. “Shake-up bør være hård,” siger David ESI, fysikeren af condensed stoffer på Caltech, som bruger samme laser teknologi til manifestation af usædvanlige kvantemekaniske effekter i andre materialer. “For et øjeblik, vil det elektriske felt bliver meget stærk — men kun for en kort tid.”
Uncrackable koder
Forvaltningen af elektroner — det er, hvordan Trusheim og Englund har til hensigt at udvikle uncrackable kvante-kryptering. I deres tilfælde formålet er ikke at ændre egenskaberne for det materiale, men at overføre kvantemekaniske egenskaber af elektroner i designer diamanter fotoner, der overfører den kryptografiske nøgler. I farve-centre af diamanter i laboratoriet Englund beliggende frie elektroner, spin, som kan måles ved hjælp af et stærkt magnetisk felt. Spin, som er afstemt med det felt, der kan kaldes en spin-1 spin, der er ikke tilpasset, spin — 2, der vil svare til 1 og 0 i digital smule. “Det er en kvante-partikel, så kan det være i begge Lande samtidig,” siger Englund. Kvante-bit eller farsere, er i stand til at udføre flere beregninger på samme tid.
Det er her, der er født af gåden om quantum entanglement. Forestil dig en kasse, som indeholder rød og blå bolde. Du kan tage en, uden at kigge og lagde den i sin lomme, og derefter gå til en anden by. Fjern pæren fra lommen og opdage, at det er rød. Vil du vide, hvad der er i boksen til venstre blå bold. Dette er forvirring. I den kvantemekaniske verden, denne effekt giver dig mulighed for at overføre oplysninger øjeblikkeligt og over lange afstande.
Farve centre i diamant i laboratoriet Englund overføre den kvantemekaniske tilstand af elektroner anbragt i dem, de fotoner ved hjælp af entanglement, at skabe den “flyvende qubits”, som de kalder Englund. I almindelig optisk kommunikation, foton, kan overføres til modtageren — i dette tilfælde de andre ledige tomrum i diamanten og dens kvantemekaniske tilstand vil blive overført til den nye electron, så to elektroner vil være bundet af. Overførsel af sådanne indviklede bits ville gøre det muligt for to mennesker at dele en kryptografisk nøgle. “Alle har en streng af nuller og ettaller, eller den øverste og nederste spins, som synes helt tilfældige, men de er identiske,” siger Englund. Brug denne nøgle til at kryptere overførsel af data, er det muligt at gøre dem helt sikkert. Hvis nogen ønsker at aflytte transmission, vil afsenderen vide om det, fordi loven om måling af en kvante-tilstand vil ændre det.
Englund at eksperimentere med quantum netværk, som sender fotoner via optisk fiber gennem sin lab, anlægget ned af vejen fra Harvard University og en anden lab på mit i den nærliggende by Lexington. Forskere har allerede lykkedes i transmission af quantum kryptografiske nøgler over lange afstande — i 2017, Kinesiske forskere meddelte, at de gav sådan en nøgle af satellit i kredsløb om Jorden på to jordstationer 1200 miles væk fra hinanden i bjergene i Tibet. Men bitrate af det Kinesiske eksperiment var for lavt til praktisk kommunikation: forskere har registreres kun en forvirrende et par af de seks millioner. Den innovation, der vil gøre en quantum kryptografiske netværk for jorden praktiske er quantum repeatere, enheder, der er placeret med mellemrum i de netværk, der forstærker signalet uden at ændre dens kvantemekaniske egenskaber. Englund mål er at finde materialer med passende atomic mangler for at være i stand til at skabe disse quantum repeatere.
Tricket er at skabe nok af entangled fotoner til at overføre data. Elektron i attonement job fastholder sin spin længe nok — om en anden — hvilket øger chancerne for, at laser-lys, der passerer igennem det, og producere en sammenfiltrede foton. Men nitrogen atom er små og ikke fylde det rum, der skabes ved fravær af kulstof. Derfor, sammenhængende fotoner kan være forskellige farver lidt, og derfor taber kampen. Andre atomer, tin, for eksempel, klæbe sig fast til, og skabe en stabil bølgelængde. Men de kan ikke holde spin længe nok — derfor arbejder til perfekt balance.
Spaltede spidser
Mens Englund og andre forsøger at klare de enkelte elektroner, mens andre dykker dybere ind i den kvantemekaniske verden og forsøger at manipulere allerede deler elektroner. Dette arbejde er forankret i et eksperiment i 1982, da forskere fra bell Labs, og Lawrence Livermore National laboratory lavet en sandwich af to lag af forskellige halvleder krystaller, afkølet dem næsten til det absolutte nulpunkt og anvendt dem til et stærkt magnetfelt, der omslutter den elektroner i fly mellem de to lag af krystaller. Det dannede en slags quantum suppe, hvor bevægelse af enhver person elektron er bestemt af de afgifter, som han følte sig fra de andre elektroner. “Det er ikke den enkelte partikler sig selv,” siger Michael Manfra fra Purdue University. “Forestil dig en ballet, hvor hver enkelt danser, som ikke kun gør deres egen PA, men som også reagerer på bevægelse af en partner eller andre dansere. Dette er sortering af et Generelt svar.”
Mærkeligt i alt dette er, at en sådan indsamling kan være fraktioneret afgifter. Elektronen er en udelelig enhed, vil det ikke skåret i tre stykker, men den gruppe af elektroner i den rigtige tilstand kan producere de såkaldte kvasi-partikel med 1/3 gebyr. “Hvis elektroner er opdelt i dele,” siger Mohammed Hafezi, en fysiker fra det Fælles Quantum Institut. “Det er meget mærkeligt.” Hafezi skabt denne effekt i sverigeleden graphene, et monoatomisk lag af carbon, og for nylig viste, at han kan manipulere bevægelsen af quasiparticles, lysende grafén med en laser. “Nu er det kontrolleret,” siger han. “Eksterne knuder, såsom magnetiske felt og let kan manipuleres til at trække eller opløses. Ændring af den kollektive natur af forandring”.
Manipulation af quasiparticles giver dig mulighed for at oprette en særlig type af bendt og topologiske farsere. Topologi er et område af matematik, at undersøgelser egenskaberne for et objekt, der ikke ændre sig, selv hvis objektet er vrides eller deformeres. Standard eksempel er den krans: hvis det var perfekt elastisk, at det kunne blive omdefineret i en Kop kaffe, intet virkelig forandring; hullet i krans vil spille en ny rolle i det hul i håndtaget af Kop. Men for at vende en donut til en kringle bliver nødt til at tilføje nye huller, at ændre sin topologi.
Topologiske bendt bevarer sine egenskaber selv under varierende forhold. Typisk partikler ændre deres quantum stat, eller “decoherent”, når en overtrædelse af noget i deres miljø som små vibrationer forårsaget af varme. Men hvis du laver et øjebliksbillede af to kvasi-partikler, der er adskilt af nogle afstand, siger, i modsatte ender af nanotråde, du dybest set laminat elektron. Både “halverer” bliver nødt til at opleve den samme overtrædelse decoderesult, og det er usandsynligt at det vil ske.
Denne egenskab gør topologiske qubits er attraktive for kvante-computere. På grund af muligheden for et øjebliksbillede for at være i en superposition af flere Lande samtidigt, kvante-computere bør være i stand til at producere stort set umuligt uden dem at beregne, for eksempel til at simulere Big Bang. Mantra, i virkeligheden, forsøger at skabe kvantecomputer af topologiske qubits i Microsoft. Men der er mere enkle metoder. Google og IBM, der i virkeligheden forsøger at skabe quantum computere på grundlag af underafkølede ledninger, der bliver halvledere eller ioniserede atomer i et vakuumkammer afholdt lasere. Problemet med disse tilgange er, at de er mere følsomme over for ændringer i miljøet end topologiske qubits, især hvis antallet af qubits vokser.
Således topologiske farsere kan føre til en revolution i vores evne til at manipulere lille ting. Der er dog ét stort problem: de ikke eksisterer endnu. Forskere kæmper for at skabe dem fra den såkaldte Majorana partikler. Foreslåede Ettore Majorana i 1937, denne partikel er sin egen antiparticle. Elektron og dens antiparticle, positron har identiske egenskaber, bortset fra afgift, men afgift af en Majorana partikel er nul.
Forskerne mener, at visse konfigurationer af elektroner og huller (fravær af elektroner) kan opføre sig som Majorana partikler. De kan til gengæld bruges som topologiske qubits. I 2012, fysiker Leo Kouwenhoven fra det Teknologiske Universitet i Delft i Holland og hans kolleger har målt, hvad der forekom dem at være Majorana partikler i et netværk af superledende og halvledende nanotråde. Men den eneste måde at bevise, at der findes disse quasiparticles vil være at skabe et topologisk øjebliksbillede baseret på dem.
Andre eksperter på dette område, er mere optimistisk. “Jeg tror, at uden problemer en dag nogen vil oprette en topologiske farsere, bare for sjov,” siger Steve Simon, en teoretiker af condensed materialer ved Oxford University. “Det eneste spørgsmål er, om vi vil være i stand til at gøre dem quantum computer i fremtiden.”
Kvante-computere — samt høj-temperatur superledere og uncrackable kvante-kryptering, kan forekomme efter mange år, eller der ikke vises aldrig. Men på samme tid, forskere forsøger at tyde naturens mysterier på de mindste skalaer. Mens ingen ved, hvor langt de vil være i stand til at gå. Jo dybere vi trænge ind i de mindste dele af vores Univers, jo mere de har skubbet.
Hvor svært er det at erobre quantum karakter af noget?
Ilya Hel