Метт Трушейм включає рубильник в темній лабораторії, і потужний зелений лазер підсвічує крихітний алмаз, утримуваний на місці під об'єктивом мікроскопа. На екрані комп'ютера з'являється зображення, дифузне газова хмара, засіяне яскравими зеленими точками. Ці крапки, що світяться - крихітні дефекти всередині алмазу, в яких два атоми вуглецю замінені одним атомом олова. Світло лазера, проходячи через них, переходить з одного відтінку зеленого 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 Енглунда в Массачусетському технологічному інституті думають, що можуть з такою точністю вибрати квантово-механічні властивості фотонів і електронів , що їм вдасться передати невзламиваемие секретні коди.
Трушейм - один з безлічі вчених, які намагаються з'ясувати, які атоми, укладені в кристалах, за яких умов дозволять їм отримати контроль такого рівня. По суті, вчені по всьому світу намагаються навчитися управляти природою на рівні атомів і нижче, до електронів або навіть частки електрона. Їх мета - знайти вузли, які контролюють фундаментальні властивості речовини і енергії, і затягнути або розплутати ці вузли, змінивши речовина 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 в вакуумних камерах чистіше космосу. Ще більш фундаментальне завдання в тому, що квантові ефекти, які хочуть приборкати вчені, - наприклад, здатність частки перебувати в двох станах одночасно, подібно коту Шредінгера - проявляються на рівні окремих електронів. У макросвіті ця магія руйнується. Отже, вченим доводиться маніпулювати речовиною в найдрібніших 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, поведінка електронів в речовині визначає його властивості в цілому - буде ця речовина металом, провідником, магнітом або чим-небудь ще. Деякі вчені намагаються змінити колективну поведінку електронів, створивши квантове синтетична речовина. Вчені 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 Ева Андрій з Університету Рутгерса. «Це здійснення мрії алхіміка».
І ця мрія може привести до справжніх проривів. Наприклад, вчені протягом десятиліть намагалися створити надпровідники, що працюють при кімнатній температурі. За допомогою цих матеріалів можна було б створювати лінії електропередач, що не втрачають енергію. У 1957 році фізики Джон Бардін, Леон Купер і Джон Роберт Шріффер продемонстрували, що надпровідність з'являється, коли вільні електрони в металі на кшталт алюмінію вирівнюються в так звані пари Купера. Навіть перебуваючи щодо далеко, кожен електрон відповідав іншому, котрий 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 току текти через матеріал, не зустрічаючи опору, а значить, і без втрат. Самі практичні надпровідники, розроблені до нинішнього моменту, повинні бути при температурі трохи вище абсолютного нуля, щоб цей стан зберігалося. Втім, виключення можуть бути .
Останнім часом дослідники виявили, що обстрілювання матеріалу високоинтенсивним лазером також може збивати електрони в куперовские пари, нехай і ненадовго. Андреа Каваллері з Інституту будови і динаміки матерії Макса Планка в Гамбурзі, Німеччина, і його колеги виявили ознаки фотоіндукованої надпровідності в металах і ізоляторах. Світло, вражаючи матеріал, змушує атоми вібрувати, і електрони ненадовго входять в стан надпровідності. «Струс повинна бути запеклою», говорить Девід ЕСИ, 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».
Невзламиваемие коди
Управління електронами - ось як Трушейм і Енглунд намір розробити невзламиваемое квантове шифрування. У їхньому 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 Енглунда розташовані вільні електрони, спини яких можна виміряти за допомогою сильного магнітного поля. Спін, який вирівнюється з полем, можна назвати спіном 1, спін, яка не вирівнюється, - спіном 2, що буде еквівалентно 1 і 0 в цифровому бите. «Це квантова частинка, тому вона може бути в обох станах одночасно», говорить Енглунд. Квантовий біт, або кубіт, здатний виробляти безліч обчислень одночасно.
Саме тут народжується загадкову властивість - квантова заплутаність. Уявіть собі коробку, яка містить червоний і синій кульки. Ви можете взяти один не дивлячись і сунути в кишеню, а потім поїхати 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 Енглунда передають квантові стану 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 електрона будуть пов'язані. Передача таких заплутаних бітів дозволить двом людям розділити криптографічний ключ. «У кожного є рядок нулів і одиниць, або верхніх і нижніх спинив, які здаються абсолютно випадковими, але вони ідентичні», говорить Енглунд. Використовуючи цей ключ для шифрування даних, що передаються, 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 квантової мережею, яка посилає фотони по оптоволокну через його лабораторію, об'єкт нижче по дорозі в Гарвардському університеті і іншу лабораторію 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 тільки одну заплутану пару з шести мільйонів. Інновація, яка зробить криптографічні квантові мережі на землі практичними, - це квантові повторювачі, пристрої, розміщені з інтервалами в мережі, які підсилюють сигнал, не змінюючи його квантових властивостей. Мета Енглунда - знайти матеріали з відповідними атомними дефектами, щоб з них можна було створити ці квантові повторювачі.
Трюк в тому, щоб створити досить заплутаних фотонів для переносу 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, створене відсутністю вуглецю. Тому послідовні фотони можуть бути злегка різних кольорів, а значить, і втратять відповідність. Інші атоми, олово, наприклад, прилягають щільно і створюють стабільну довжину хвилі. Але вони не зможуть утримувати спин 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 Манфрія з Університету Пердью. «Уявіть собі балет, в якому кожен танцюрист не тільки робить власні па, а й реагує на рух партнера або інших танцюристів. Це в деякому роді загальний 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 призвести так звану квазічастинку з 1/3 заряду. «Ніби електрони діляться на частини», говорить Мохаммед Хафез, фізик з Joint Quantum Institute. "Це дуже дивно". Хафез створив цей ефект в сверххолодном графені, одноатомної шарі вуглецю, і недавно 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 область математики, що вивчає властивості об'єкта, які не змінюються, навіть якщо цей об'єкт скручується або деформується. Стандартний приклад - пончик: якби він був ідеально еластичним, його можна було б переформувати в кавову чашку, нічого особливо не змінюючи; дірка в пончике буде грати нову роль в отворі в ручці чашки. Однак, щоб перетворити пончик в крендель, доведеться додати йому нових дірок, змінюючи його топологію.
Топологічний кубіт зберігає свої властивості навіть при умовах, що змінюються. Зазвичай частинки змінюють свої квантові стану, або «декогеріруют», коли порушується щось у їхньому оточенні, на зразок невеликих вібрацій, викликаних теплом. Але якщо ви зробите кубіт з двох квазічастинок, розділених деяким відстанню, скажімо, на протилежних кінцях нанопроволоки, ви по суті розщепніть електрон. Обидві «половинки» повинні будуть випробувати одне і те ж порушення, щоб декогеріровать, а таке малоймовірно, що станеться.
Ця властивість робить топологічні кубіти привабливими для квантових комп'ютерів. Через здатність кубіта бути в суперпозиції безлічі станів одночасно, квантові комп'ютери повинні бути здатними виробляти практично неможливі без них обчислення, наприклад, моделювати Великий Вибух. Манфрія, 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 в 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. Однак є одна істотна проблема: їх поки не існує. Дослідники з усіх сил намагаються створити їх з так званих майорановскіх частинок. Запропонована Етторе майораном в 1937 році, ця частка є сама собі античастинкою. Електрон і його античастинка, позитрон, мають ідентичні властивості, крім заряду, але заряд майорановской частки дорівнюватиме нулю.
Вчені вважають, що певні зміни щодо електронів і дірок (відсутність електронів) можуть вести себе як майорановскіе частки. Їх, в свою чергу, можна використовувати в якості топологічних кубітів. У 2012 році фізик Лео Коувенховен з Технологічного університету Делфта в Нідерландах і його колеги зміряли те, що здалося їм майорановскімі частками в мережі надпровідникових і напівпровідникових нанодротів. 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 будь-яких питань хтось колись 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 невзламиваемое квантове шифрування - можуть з'явитися через багато років або не з'являться ніколи. Але в той же час вчені намагаються розшифрувати загадки природи в найдрібніших масштабах. Поки ніхто не знає, наскільки далеко вдасться зайти. Чим глибше ми проникаємо в найдрібніші складові нашого Всесвіту, тим сильніше вони нас виштовхують.