Mets Trušheims pārslēdz slēdzi tumšajā laboratorijā, un spēcīgs zaļš lāzers izgaismo niecīgu dimantu, kas tiek turēts zem mikroskopa objekta. Datora ekrānā parādās attēls - izkliedēts gāzes mākonis, kas iezīmēts ar spilgti zaļiem punktiem. Šie mirdzošie punkti ir mazi defekti dimanta iekšienē, kurā divus oglekļa atomus aizstāj viens alvas atoms. Lāzera gaisma, kas iet caur tiem, pāriet no vienas zaļas nokrāsas uz otru.
Vēlāk šis dimants tiks atdzesēts līdz šķidrā hēlija temperatūrai. Kontrolējot dimanta atoma kristāla struktūru ar atomu, novedot to līdz dažiem grādiem virs absolūtās nulles un pielietojot magnētisko lauku, Kvantu fotonikas laboratorijas pētnieki, kuru vadīja fiziķis Dirks Englunds no MIT, domā, ka viņi ar tādu precizitāti var izvēlēties fotonu un elektronu kvantu mehāniskās īpašības. ka viņi varēs pārsūtīt nesalaužamus slepenos kodus.
Trušheims ir viens no daudzajiem zinātniekiem, kurš cenšas noskaidrot, kuri atomi, ieslēgti kristālos, kādos apstākļos ļaus viņiem iegūt kontroli pār šo līmeni. Faktiski zinātnieki visā pasaulē cenšas iemācīties kontrolēt dabu atomu līmenī un zemāk, nonākt pie elektroniem vai pat ar daļu no elektrona. Viņu mērķis ir atrast mezglus, kas kontrolē matērijas un enerģijas pamatīpašības, un sasprindzina vai atšķetina šos mezglus, mainot matēriju un enerģiju, lai izveidotu īpaši jaudīgus kvantu datorus vai supravadītājus, kas strādā istabas temperatūrā.
Šie zinātnieki saskaras ar diviem galvenajiem izaicinājumiem. Tehniskā līmenī ir ļoti grūti veikt šādu darbu. Dažiem kristāliem, piemēram, vakuuma kamerās jābūt par 99,99999999% tīriem nekā kosmosam. Vēl būtiskāks izaicinājums ir tas, ka kvantu efekti, kurus zinātnieki vēlas ierobežot, piemēram, daļiņas spēja atrasties divos stāvokļos vienlaikus, tāpat kā Šrēdingera kaķis, parādās atsevišķu elektronu līmenī. Makrokosmosā šī maģija sabrūk. Līdz ar to zinātniekiem ir jālieto vismazāk ar matēriju, un tos ierobežo fundamentālās fizikas robežas. Viņu panākumi noteiks to, kā mūsu izpratne par zinātni un tehnoloģiskajām iespējām mainīsies nākamajās desmitgadēs.
Alķīmiķa sapnis
Manipulēšana ar vielu zināmā mērā sastāv no manipulēšanas ar elektroniem. Galu galā elektronu uzvedība vielā nosaka tās īpašības kopumā - šī viela būs metāls, vadītājs, magnēts vai kaut kas cits. Daži zinātnieki mēģina mainīt elektronu kolektīvo uzvedību, izveidojot kvantu sintētisko vielu. Zinātnieki redz, kā “mēs paņemam izolatoru un pārvēršam to par metālu vai pusvadītāju un pēc tam par supravadītāju. Nemagnētisko materiālu mēs varam pārvērst par magnētisku,”saka fizika Eva Endrjū no Rutgersas universitātes. "Šis ir alķīmiķa sapnis."
Un šis sapnis var novest pie reāliem izrāvieniem. Piemēram, zinātnieki gadu desmitiem ir mēģinājuši radīt supravadītājus, kas strādā istabas temperatūrā. Ar šo materiālu palīdzību būtu iespējams izveidot elektrolīnijas, kas netērē enerģiju. 1957. gadā fiziķi Džons Bardēns, Leons Kūpers un Džons Roberts Šriefers parādīja, ka supravadītspēja rodas, kad brīvie elektroni, piemēram, alumīnijs, izlīdzinās tā sauktajos Kūpera pāros. Pat atrodoties samērā tālu, katrs elektrons atbilda citam ar pretēju griezienu un impulsu. Tāpat kā pāri, kas dejo pūlī diskotēkā, sapāroti elektroni pārvietojas saskaņoti ar citiem, pat ja starp tiem iet citi elektroni.
Reklāmas video:
Šī izlīdzināšana ļauj strāvai plūst caur materiālu, nesaskaroties ar pretestību, un tādējādi bez zaudējumiem. Lai saglabātu šo stāvokli, praktiskākajiem līdz šim izstrādātajiem supravadītājiem jābūt nedaudz virs absolūtās nulles. Tomēr var būt arī izņēmumi.
Nesen pētnieki ir atklājuši, ka materiāla bombardēšana ar augstas intensitātes lāzeru var arī elektronus iesist Kūpera pāros, kaut arī īsi. Andrea Kavalleri no Maksa Planka Materiāla struktūras un dinamikas institūta Hamburgā, Vācijā, un viņa kolēģi ir atraduši fotoinducētas supravadītspējas pazīmes metālos un izolatoros. Gaisma, kas ietriecas materiālā, liek atomiem vibrēt, un elektroni īslaicīgi nonāk supravadītspējas stāvoklī. "Kratīšanai jābūt nežēlīgai," saka Kalifornijas Tehnoloģiju institūta kondensētās vielas fiziķis Deivids Esijs, kurš izmanto to pašu lāzera tehniku, lai citos materiālos parādītu neparastus kvantu efektus. "Uz brīdi elektriskais lauks kļūst ļoti spēcīgs - bet tikai uz īsu brīdi."
Nepārkāpjamie kodi
Elektronu kontrolēšana ir tāda, kā Trušheims un Englunds ir iecerējuši izstrādāt nesalaužamu kvantu šifrēšanu. Viņu gadījumā mērķis nav mainīt materiālu īpašības, bet gan nodot dizaina dimantos esošo elektronu kvantu īpašības fotoniem, kas pārraida kriptogrāfiskās atslēgas. Dimantu krāsu centri Englundas laboratorijā satur brīvos elektronus, kuru griezienus var izmērīt, izmantojot spēcīgu magnētisko lauku. Vērpšanu, kas izlīdzinās ar lauku, var saukt par griezienu 1, griezienu, kas nesaskaņo, ir grieziens 2, kas būtu ekvivalents 1 un 0 digitālajā bitā. "Tā ir kvantu daļiņa, tāpēc tā var būt abos stāvokļos vienlaikus," saka Englunds. Kvantu bits jeb kvīts vienlaikus var veikt daudzus aprēķinus.
Šeit dzimst noslēpumains īpašums - kvantu sapīšanās. Iedomājieties kastīti ar sarkanām un zilām bumbiņām. Jūs varat paņemt vienu, neskatoties un iebāzt kabatā, un pēc tam doties uz citu pilsētu. Tad izņem bumbu no kabatas un konstatē, ka tā ir sarkana. Jūs uzreiz sapratīsit, ka kastē ir zila bumba. Tā ir neskaidrība. Kvantu pasaulē šis efekts ļauj informāciju pārsūtīt uzreiz un lielos attālumos.
Krāsainie centri dimantā Englundas laboratorijā caur savijumu pārraida to saturošo elektronu kvantu stāvokļus fotoniem, radot "lidojošus kvitus", kā Englunds tos sauc. Parastajos optiskajos sakaros fotonu var pārraidīt saņēmējam - šajā gadījumā vēl vienu tukšu tukšumu dimantā - un tā kvantu stāvoklis tiks pārnests uz jaunu elektronu, tāpēc abi elektroni ir saistīti. Pārsūtot šos neskaidros bitus, divi cilvēki varēs koplietot kriptogrāfisko atslēgu. "Katrā no tām ir virkne nulles un viens vai augsts un zems grieziens, kas šķiet pilnīgi nejauši, taču tie ir identiski," saka Englunds. Izmantojot šo atslēgu, lai šifrētu pārsūtītos datus, jūs varat tos padarīt absolūti drošus. Ja kāds vēlas pārtvert pārraidi, sūtītājs par to uzzinās,jo kvantu stāvokļa mērīšanas akts to mainīs.
Englunds eksperimentē ar kvantu tīklu, kas caur savu laboratoriju, objektu pa ceļu Harvardas universitātē un vēl vienu MIT laboratoriju netālu esošajā Leksingtonā nosūta fotonus pa optisko šķiedru. Zinātniekiem jau ir izdevies pārsūtīt kvantu kriptogrāfijas atslēgas lielos attālumos - 2017. gadā Ķīnas zinātnieki ziņoja, ka viņi šādu atslēgu ir pārsūtījuši no Zemes orbītā esošā satelīta uz divām zemes stacijām, kuras atrodas 1200 kilometru attālumā Tibetas kalnos. Bet Ķīnas eksperimenta bitrats bija pārāk mazs praktiskai saziņai: zinātnieki sešos miljonos reģistrēja tikai vienu mulsinošu pāri. Jauninājums, kas padarīs kriptogrāfiskos kvantu tīklus uz zemes praktiskus, ir kvantu retranslatori, ierīces, kas tīklā tiek izvietotas ar intervālu, kas pastiprina signālu,nemainot tā kvantu īpašības. Englunda mērķis ir atrast materiālus ar piemērotiem atomu defektiem, lai no tiem varētu izveidot šos kvantu atkārtotājus.
Triks ir radīt pietiekami daudz sapinušos fotonus, lai tie varētu pārnest datus. Elektrons ar slāpekli aizvietotā vakancē saglabā savu griešanos pietiekami ilgi - apmēram sekundi -, kas palielina izredzes, ka lāzera gaisma to šķērsos un radīs sapinušos fotonu. Bet slāpekļa atoms ir mazs un neaizpilda vietu, ko rada oglekļa trūkums. Tāpēc secīgi fotoni var būt nedaudz atšķirīgas krāsas, kas nozīmē, ka viņi zaudēs saraksti. Citi atomi, piemēram, alva, cieši pieķeras un rada stabilu viļņa garumu. Bet viņi nespēs noturēt griešanos pietiekami ilgi - tāpēc tiek strādāts, lai atrastu perfektu līdzsvaru.
Sadalījums beidzas
Kamēr Englunds un citi mēģina tikt galā ar atsevišķiem elektroniem, citi ienirst dziļāk kvantu pasaulē un mēģina manipulēt ar elektronu daļu. Šis darbs sakņojas eksperimentā 1982. gadā, kad Bell laboratorijas un Lorensa Livermoras Nacionālās laboratorijas zinātnieki iestiprināja divus dažādu pusvadītāju kristālu slāņus, atdzesēja tos līdz absolūtai nullei un pielietoja tiem spēcīgu magnētisko lauku, satverot elektronus plaknē starp diviem kristālu slāņiem. … Tādējādi izveidojās sava veida kvantu zupa, kurā jebkura atsevišķa elektrona kustību noteica lādiņi, kurus tā izjuta no citiem elektroniem. "Tās vairs nav atsevišķas daļiņas pašas par sevi," saka Maikls Manfra no Purdue universitātes. “Iedomājieties baletu, kurā katrs dejotājs ne tikai veic savus soļus,bet arī reaģē uz partnera vai citu dejotāju kustību. Tā ir sava veida vispārēja atbilde."
Visam dīvaini ir tas, ka šādai kolekcijai var būt daļējas maksas. Elektrons ir nedalāma vienība, to nevar sadalīt trīs daļās, bet vēlamā stāvoklī esošā elektronu grupa var radīt tā saukto kvazdaļiņu ar 1/3 lādiņa. "Tas ir tā, it kā elektroni tiktu sadalīti," saka Mohammeds Hafezi, Apvienotā kvantu institūta fiziķis. "Tas ir ļoti dīvaini". Hafezi radīja šo efektu ultracold grafēnā, monatomiskā oglekļa slānī, un nesen parādīja, ka viņš var manipulēt ar kvazdaļiņu kustību, apgaismojot grafēnu ar lāzeru. "Tas tagad tiek uzraudzīts," viņš saka. “Ārējos mezgliņus, piemēram, magnētiskos laukus un gaismu, var manipulēt, uzvilkt vai nesaistīt. Kolektīvo pārmaiņu raksturs mainās."
Manipulācija ar kvazis daļiņām ļauj jums izveidot īpašu kubīta veidu - topoloģisko kubi. Topoloģija ir matemātikas nozare, kas pēta objekta īpašības, kas nemainās pat tad, ja šis objekts ir savīti vai deformēts. Tipisks piemērs ir virtulis: ja tas būtu pilnīgi elastīgs, to varētu pārveidot par kafijas tasi, neko daudz nemainot; urbumam urbumā būs jauna loma atverē kausa rokturī. Tomēr, lai virtuli pārvērstu kliņģerī, tam būs jāpievieno jaunas bedrītes, mainot tā topoloģiju.
Topoloģiskais kubīts saglabā savas īpašības pat mainīgos apstākļos. Parasti daļiņas maina kvantu stāvokļus jeb "dekohēras", kad kaut kas viņu vidē ir traucēts, piemēram, nelielas siltuma izraisītās vibrācijas. Bet, ja jūs veicat kvītu no divām kvazdaļiņām, kas atdalītas ar noteiktu attālumu, teiksim, nanovada pretējos galos, jūs būtībā sadalāt elektronu. Abām pusēm būtu jāpiedzīvo viens un tas pats pārkāpums, lai atbrīvotos, kas diez vai notiks.
Šis īpašums padara topoloģiskos kubitus pievilcīgus kvantu datoriem. Tā kā kvīts spēj vienlaikus atrasties daudzu stāvokļu superpozīcijā, kvantu datoriem jāspēj veikt aprēķinus, kas bez tiem praktiski nav iespējami, piemēram, lai imitētu Lielo sprādzienu. Manfra būtībā mēģina veidot kvantu datorus no Microsoft topoloģiskajiem kvitiem. Bet ir arī vienkāršākas pieejas. Google un IBM būtībā mēģina veidot kvantu datorus, kuru pamatā ir pārdzesēti vadi, kas kļūst par pusvadītājiem vai jonizētiem atomiem vakuuma kamerā, kuru tur lāzeri. Šo pieeju problēma ir tā, ka tās ir jutīgākas pret apkārtējās vides izmaiņām nekā topoloģiskie kubi, it īpaši, ja palielinās kvītu skaits.
Tādējādi topoloģiskie kvīti var mainīt mūsu spēju manipulēt ar sīkumiem. Tomēr ir viena būtiska problēma: tās vēl nepastāv. Pētnieki cenšas tos izveidot no tā sauktajām Majoranas daļiņām. Ettore Majorana ierosināja 1937. gadā, šī daļiņa ir pati sava daļiņa. Elektronam un tā pretdaļiņai, pozitronam, ir vienādas īpašības, izņemot lādiņu, bet Majoranas daļiņas lādiņš būs nulle.
Zinātnieki uzskata, ka noteiktas elektronu un caurumu konfigurācijas (bez elektroniem) var izturēties kā Majoranas daļiņas. Savukārt tos var izmantot kā topoloģiskos kubitus. 2012. gadā fiziķis Leo Kouvenhovens no Nīderlandes Delftas Tehniskās universitātes un viņa kolēģi supravadošo un pusvadītāju nanovadu tīklā mērīja, viņuprāt, Majorana daļiņas. Bet vienīgais veids, kā pierādīt šo kvazdaļiņu esamību, ir izveidot uz to balstītu topoloģisko kubit.
Citi eksperti šajā jomā ir optimistiskāki. "Es domāju, ka bez jebkādiem jautājumiem kāds kādreiz izveidos topoloģisko kubi tikai sava prieka pēc," saka Stīvs Saimons, Oksfordas universitātes kondensēto vielu teorētiķis. "Vienīgais jautājums ir par to, vai mēs no tiem varam izveidot nākotnes kvantu datoru."
Kvantu datori - kā arī augstas temperatūras supravadītāji un nesalaužama kvantu šifrēšana - var parādīties vai nerādīties pēc daudziem gadiem. Bet tajā pašā laikā zinātnieki mēģina atšifrēt dabas noslēpumus pēc iespējas mazāk. Pagaidām neviens nezina, cik tālu viņi var iet. Jo dziļāk mēs iekļūstam visuma mazākajos komponentos, jo vairāk viņi mūs izstumj.
Iļja Khels