Matt Trushheim prepne vypínač v tmavom laboratóriu a silný zelený laser osvetlí malý diamant držaný na mieste pod objektívom mikroskopu. Na obrazovke počítača sa objaví obraz, rozptýlený oblak plynu bodkovaný jasne zelenými bodkami. Tieto žiariace bodky sú drobné chyby vo vnútri diamantu, v ktorých sú dva atómy uhlíka nahradené jedným atómom cínu. Laserové svetlo, ktoré nimi prechádza, prechádza z jedného odtieňa zelenej do druhej.
Neskôr bude tento diamant ochladený na teplotu tekutého hélia. Vedci z laboratória kvantovej fotoniky, vedeného fyzikom Dirkom Englundom z MIT, riadením kryštálovej štruktúry atómu diamantu po atóme jeho uvedením na niekoľko stupňov nad absolútnu nulu a použitím magnetického poľa si myslia, že môžu s takou presnosťou vyberať kvantovo mechanické vlastnosti fotónov a elektrónov. že budú môcť prenášať nerozbitné tajné kódy.
Trushheim je jedným z mnohých vedcov, ktorí sa snažia prísť na to, ktoré atómy, ktoré sú uzavreté v kryštáloch, za akých podmienok im umožnia získať kontrolu nad touto úrovňou. Vedci z celého sveta sa v skutočnosti snažia naučiť ovládať prírodu na úrovni atómov a pod elektrónmi alebo dokonca zlomkami elektrónov. Ich cieľom je nájsť uzly, ktoré riadia základné vlastnosti hmoty a energie, a tieto uzly utiahnuť alebo rozmotať zmenou hmoty a energie, aby vytvorili super výkonné kvantové počítače alebo supravodiče, ktoré pracujú pri izbovej teplote.
Títo vedci čelia dvom hlavným výzvam. Na technickej úrovni je veľmi ťažké vykonať takúto prácu. Napríklad niektoré kryštály musia byť vo vákuových komorách čistejšie ako 99,99999999% ako vesmír. Ešte zásadnejšou výzvou je, že kvantové efekty, ktoré chcú vedci potlačiť - napríklad schopnosť častice byť v dvoch stavoch súčasne, ako Schrödingerova mačka, sa objavujú na úrovni jednotlivých elektrónov. V makrokozme sa táto mágia zrúti. Vedci musia následne manipulovať s hmotou v najmenšom rozsahu a sú limitovaní limitmi základnej fyziky. Ich úspech určí, ako sa zmení naše chápanie vedy a technologických schopností v nasledujúcich desaťročiach.
Alchymistický sen
Manipulácia s hmotou do istej miery spočíva v manipulácii s elektrónmi. Nakoniec správanie elektrónov v látke určuje jej vlastnosti ako celok - touto látkou bude kov, vodič, magnet alebo niečo iné. Niektorí vedci sa snažia zmeniť kolektívne správanie elektrónov vytvorením kvantovej syntetickej látky. Vedci vidia, ako „zoberieme izolátor a urobíme z neho kov alebo polovodič a potom supravodič. Nemagnetický materiál môžeme zmeniť na magnetický, “hovorí fyzikka Eva Andrew z Rutgers University. „Toto je sen alchymistu.“
A tento sen môže viesť k skutočným prielomom. Vedci sa napríklad už celé desaťročia snažia vytvárať supravodiče, ktoré pracujú pri izbovej teplote. Pomocou týchto materiálov by bolo možné vytvoriť elektrické vedenie, ktoré nebude plytvať energiou. V roku 1957 fyzici John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer demonštrovali, že k supravodivosti dochádza, keď sa voľné elektróny v kovu ako je hliník zarovnávajú do takzvaných Cooperových párov. Aj keď bol každý elektrón relatívne ďaleko, zodpovedal inému, s opačnou rotáciou a hybnosťou. Rovnako ako páry tancujúce v dave na diskotéke, spárované elektróny sa pohybujú v koordinácii s ostatnými, aj keď medzi nimi prechádzajú ďalšie elektróny.
Propagačné video:
Toto vyrovnanie umožňuje prúdiť prúdom cez materiál bez toho, aby narazil na odpor, a teda bezstratovo. Na udržanie tohto stavu musia byť doteraz najpraktickejšie vyvinuté supravodiče tesne nad absolútnou nulou. Môžu sa však vyskytnúť výnimky.
Vedci nedávno zistili, že bombardovanie materiálu vysoko intenzívnym laserom môže tiež nakrátko zraziť elektróny do párov Cooperov. Andrea Cavalleri z Inštitútu Maxa Plancka pre štruktúru a dynamiku hmoty v nemeckom Hamburgu a jeho kolegovia našli známky fotoindukovanej supravodivosti v kovoch a izolátoroch. Svetlo dopadajúce na materiál spôsobuje vibrovanie atómov a elektróny sa krátko dostanú do stavu supravodivosti. „Otrasy musia byť prudké,“hovorí David Esie, fyzik kondenzovaných látok z Kalifornského technologického inštitútu, ktorý rovnakou laserovou technikou prejavuje neobvyklé kvantové efekty aj v iných materiáloch. „Elektrické pole sa na chvíľu stane veľmi silným - ale iba na krátky čas.“
Nerozbitné kódy
Manipulácia s elektrónmi je spôsob, akým sa Trushheim a Englund rozhodli vyvinúť nerozbitné kvantové šifrovanie. V ich prípade nejde o to, aby sa zmenili vlastnosti materiálov, ale aby sa kvantové vlastnosti elektrónov v dizajnérskych diamantoch preniesli na fotóny, ktoré prenášajú kryptografické kľúče. Farebné centrá diamantov v Englundovom laboratóriu obsahujú voľné elektróny, ktorých rotácie je možné merať pomocou silného magnetického poľa. Točenie, ktoré sa zarovnáva s poľom, sa dá nazvať točenie 1, točenie, ktoré sa nezarovnáva, je točenie 2, ktoré by bolo ekvivalentné 1 a 0 v digitálnom bite. „Je to kvantová častica, takže môže byť v oboch štátoch súčasne,“tvrdí Englund. Kvantový bit alebo qubit je schopný vykonávať veľa výpočtov súčasne.
Tu sa rodí záhadná vlastnosť - kvantové zapletenie. Predstavte si škatuľku obsahujúcu červené a modré guľôčky. Môžete si jednu vziať bez toho, aby ste sa pozreli, a strčiť si ju do vrecka, a potom odísť do iného mesta. Potom vytiahnite loptu z vrecka a zistite, že je červená. Okamžite pochopíte, že v krabičke je modrá guľa. Toto je zmätok. V kvantovom svete tento efekt umožňuje prenos informácií okamžite a na veľké vzdialenosti.
Farebné centrá v diamantu v Englundovom laboratóriu prenášajú kvantové stavy elektrónov, ktoré obsahujú, na fotóny prostredníctvom zapletenia a vytvárajú „lietajúce qubity“, ako ich Englund nazýva. V konvenčnej optickej komunikácii môže byť fotón prenesený na príjemcu - v tomto prípade na ďalšie prázdne miesto v diamante - a jeho kvantový stav sa prenesie na nový elektrón, takže dva elektróny sú spojené. Vysielanie týchto zahmlených bitov umožní dvom ľuďom zdieľať kryptografický kľúč. "Každá z nich má rad núl a jednotiek, alebo vysokých a nízkych otáčok, ktoré sa zdajú úplne náhodné, ale sú identické," hovorí Englund. Pomocou tohto kľúča na šifrovanie prenášaných údajov môžete zabezpečiť ich absolútnu bezpečnosť. Ak niekto chce zachytiť prenos, bude o tom vedieť odosielateľ,pretože akt merania kvantového stavu ho zmení.
Englund experimentuje s kvantovou sieťou, ktorá posiela fotóny dole optickým vláknom cez jeho laboratórium, objekt po ceste na Harvardskej univerzite a ďalšie laboratórium MIT v neďalekom Lexingtone. Vedcom sa už podarilo preniesť kvantovo-kryptografické kľúče na veľké vzdialenosti - v roku 2017 čínski vedci uviedli, že takýto kľúč preniesli zo satelitu na obežnej dráhe Zeme do dvoch pozemných staníc vzdialených 1 200 kilometrov v horách Tibetu. Bitová rýchlosť čínskeho experimentu však bola pre praktickú komunikáciu príliš nízka: vedci zaznamenali iba jeden mätúci pár zo šiestich miliónov. Inováciou, vďaka ktorej budú kryptografické kvantové siete na zemi praktické, sú kvantové opakovače, zariadenia umiestnené v intervaloch v sieti, ktoré zosilňujú signál,bez zmeny jeho kvantových vlastností. Englundovým cieľom je nájsť materiály s vhodnými atómovými defektmi, aby z nich bolo možné vytvoriť tieto kvantové opakovače.
Trik spočíva v vytvorení dostatku zapletených fotónov na prenos údajov. Elektrón na dusíkom substituovanom neobsadenom mieste udržuje svoju rotáciu dostatočne dlho - asi na sekundu - čo zvyšuje pravdepodobnosť, že ním prejde laserové svetlo a vytvorí zamotaný fotón. Atóm dusíka je ale malý a nevyplňuje priestor vytvorený absenciou uhlíka. Následné fotóny preto môžu mať mierne odlišné farby, čo znamená, že stratia korešpondenciu. Ostatné atómy, napríklad cín, pevne priľnú a vytvárajú stabilnú vlnovú dĺžku. Nebudú však schopní udržať točenie dostatočne dlho - preto sa pracuje na nájdení dokonalej rovnováhy.
Rozštiepené konce
Zatiaľ čo sa Englund a ďalší snažia vyrovnať s jednotlivými elektrónmi, iní sa ponárajú hlbšie do kvantového sveta a snažia sa manipulovať so zlomkom elektrónov. Táto práca vychádza z experimentu z roku 1982, keď vedci z laboratórií Bell Laboratories a Lawrence Livermore National Laboratory vložili dve vrstvy rôznych polovodičových kryštálov, ochladili ich takmer na absolútnu nulu a aplikovali na ne silné magnetické pole, ktoré zachytilo elektróny v rovine medzi dvoma vrstvami kryštálov. … Vznikla teda akási kvantová polievka, v ktorej bol pohyb ľubovoľného jednotlivého elektrónu určený nábojmi, ktoré cítil z iných elektrónov. "Už to nie sú jednotlivé častice samy o sebe," hovorí Michael Manfra z Purdue University. „Predstavte si balet, v ktorom každý tanečník robí nielen svoje vlastné kroky,ale reaguje aj na pohyb partnera alebo iných tanečníkov. Je to druh všeobecnej odpovede. ““
Zvláštnosťou na tom všetkom je, že takáto zbierka môže mať zlomkové náboje. Elektrón je nedeliteľná jednotka, nemožno ho rozdeliť na tri časti, ale skupina elektrónov v požadovanom stave môže s 1/3 náboja vyprodukovať takzvaný kvázičastice. „Je to ako keby sa elektróny štiepili,“hovorí fyzik Mohammed Hafezi zo Spoločného kvantového ústavu. „Je to veľmi čudné“. Hafezi vytvoril tento efekt v ultracoldovom graféne, monatomickej vrstve uhlíka, a nedávno ukázal, že dokáže manipulovať s pohybom kvázičastíc osvetlením grafénu laserom. „Teraz sa to monitoruje,“hovorí. „S vonkajšími uzlíkmi, ako sú magnetické polia a svetlo, je možné manipulovať, vytiahnuť ich alebo ich neviazať. Mení sa povaha kolektívnych zmien. ““
Manipulácia s kvartikulami vám umožňuje vytvoriť špeciálny typ qubitu - topologický qubit. Topológia je odvetvie matematiky, ktoré skúma vlastnosti objektu, ktoré sa nemenia, aj keď je tento objekt skrútený alebo zdeformovaný. Typickým príkladom je šiška: ak by bola dokonale elastická, dala by sa reformovať do šálky na kávu bez toho, aby sa niečo výrazne zmenilo; otvor v šiške bude hrať novú rolu v otvore v rukoväti pohára. Aby sa však z donutu stal praclík, budete mu musieť pridať nové otvory a zmeniť tak jeho topológiu.
Topologický qubit si zachováva svoje vlastnosti aj za meniacich sa podmienok. Čiastočky zvyčajne menia svoje kvantové stavy alebo sa „dekódujú“, keď je niečo v ich prostredí narušené, napríklad malé vibrácie spôsobené teplom. Ale ak vytvoríte qubit z dvoch kvázičastíc oddelených určitou vzdialenosťou, povedzme na opačných koncoch nanodrôtu, v podstate štiepite elektrón. Obe polovice by museli zažiť rovnaké porušenie, aby sa odhaľovali, čo sa pravdepodobne nestane.
Táto vlastnosť robí topologické qubity atraktívnymi pre kvantové počítače. Kvôli schopnosti qubitu byť v superpozícii mnohých štátov súčasne musia byť kvantové počítače schopné vykonávať výpočty, ktoré sú bez nich prakticky nemožné, napríklad simulovať Veľký tresk. Manfra sa v podstate snaží vybudovať kvantové počítače z topologických qubitov v spoločnosti Microsoft. Existujú však aj jednoduchšie prístupy. Google a IBM sa v podstate snažia vybudovať kvantové počítače na základe podchladených drôtov, ktoré sa stávajú polovodičmi, alebo ionizovaných atómov vo vákuovej komore držanej lasermi. Problém týchto prístupov spočíva v tom, že sú citlivejšie na zmeny prostredia ako topologické qubits, najmä ak počet qubits rastie.
Topologické qubits teda môžu spôsobiť revolúciu v našej schopnosti manipulovať s maličkosťami. Existuje však jeden závažný problém: zatiaľ neexistujú. Vedci sa snažia vytvoriť ich z takzvaných častíc Majorany. Táto častica, ktorú navrhol Ettore Majorana v roku 1937, je vlastnou antičasticou. Elektrón a jeho antičastica, pozitrón, majú okrem náboja identické vlastnosti, ale náboj častice Majorana bude nulový.
Vedci sa domnievajú, že určité konfigurácie elektrónov a dier (bez elektrónov) sa môžu správať ako častice Majorany. Oni, podľa poradia, môžu byť použité ako topologické qubits. V roku 2012 zmeral fyzik Leo Kouvenhoven z Delftskej technickej univerzity v Holandsku a jeho kolegovia v sieti supravodivých a polovodičových nanovodov to, čo považovali za častice Majorany. Ale jediný spôsob, ako dokázať existenciu týchto kvázičastíc, je vytvoriť na ich základe topologický qubit.
Ostatní odborníci v tejto oblasti sú optimistickejší. "Myslím si, že bez akýchkoľvek otázok niekto jedného dňa vytvorí topologický qubit, len tak pre zábavu," hovorí Steve Simon, teoretik kondenzovaných látok na Oxfordskej univerzite. „Jedinou otázkou je, či z nich môžeme urobiť kvantový počítač budúcnosti.“
Kvantové počítače - rovnako ako vysokoteplotné supravodiče a nerozbitné kvantové šifrovanie - sa môžu alebo nemusia objaviť o mnoho rokov. Vedci sa ale zároveň snažia rozlúštiť tajomstvá prírody v najmenšom rozsahu. Zatiaľ nikto nevie, kam až môžu zájsť. Čím hlbšie prenikáme do najmenších zložiek nášho vesmíru, tým viac nás vytláčajú.
Iľja Khel