Matt Trushheim vender bryteren i det mørke laboratoriet, og en kraftig grønn laser lyser opp en liten diamant som holdes på plass under et mikroskopmål. Et bilde vises på dataskjermen, en diffus sky av gass prikket med lyse grønne prikker. Disse glødende prikkene er små mangler inne i diamanten der to karbonatomer erstattes av ett tinnatom. Laserlys som går gjennom dem, går fra en grønn nyanse til en annen.
Senere vil denne diamanten bli avkjølt til temperaturen i flytende helium. Ved å kontrollere krystallstrukturen til et diamantatom for atom, bringe det til noen få grader over absolutt null og bruke et magnetfelt, tror forskere ved Quantum Photonics Laboratory, ledet av fysiker Dirk Englund ved MIT, at de kan velge kvantemekaniske egenskaper til fotoner og elektroner med en slik presisjon. at de vil kunne overføre uknuselige hemmelige koder.
Trushheim er en av mange forskere som prøver å finne ut hvilke atomer, innesluttet i krystaller, under hvilke forhold som vil tillate dem å få kontroll over dette nivået. Faktisk prøver forskere over hele verden å lære å kontrollere naturen på atomnivå og under, til elektroner eller til og med en brøkdel av et elektron. Målet deres er å finne knutene som styrer de grunnleggende egenskapene til materie og energi, og stramme eller løse disse knutene ved å endre materie og energi, for å lage superkraftige kvantecomputere eller superledere som fungerer ved romtemperatur.
Disse forskerne står overfor to store utfordringer. På teknisk nivå er det veldig vanskelig å utføre slikt arbeid. Noen krystaller må for eksempel være 99,99999999% rene i vakuumkamre renere enn plass. En enda mer grunnleggende utfordring er at de kvanteeffektene som forskere ønsker å dempe - for eksempel en partikkels evne til å være i to tilstander samtidig, som Schrödingers katt - vises på nivået med individuelle elektroner. I makrokosmos kollapser denne magien. Derfor må forskere manipulere materie i minste skala, og de er begrenset av grensene for grunnleggende fysikk. Deres suksess vil avgjøre hvordan vår forståelse av vitenskap og teknologiske evner vil endres de neste tiårene.
Alkymistens drøm
Å manipulere materie, til en viss grad, består i å manipulere elektroner. Til slutt bestemmer oppførselen til elektroner i et stoff dets egenskaper som helhet - dette stoffet vil være et metall, en leder, en magnet eller noe annet. Noen forskere prøver å endre elektroners kollektive oppførsel ved å lage et kvantesyntetisk stoff. Forskere ser hvordan “vi tar en isolator og gjør den til et metall eller en halvleder og deretter til en superleder. Vi kan gjøre et ikke-magnetisk materiale til et magnetisk, sier fysiker Eva Andrew fra Rutgers University. "Dette er en alkymists drøm som går i oppfyllelse."
Og denne drømmen kan føre til reelle gjennombrudd. For eksempel har forskere i flere tiår prøvd å lage superledere som fungerer ved romtemperatur. Ved hjelp av disse materialene ville det være mulig å lage kraftledninger som ikke kaster bort energi. I 1957 demonstrerte fysikerne John Bardeen, Leon Cooper og John Robert Schrieffer at superledningsevne oppstår når frie elektroner i et metall som aluminium stemmer overens med det som kalles Cooper-par. Selv om de var relativt langt borte, tilsvarte hvert elektron et annet, med motsatt spinn og fart. Som par som danser i en mengde på et diskotek, beveger sammenkoblede elektroner seg i koordinasjon med andre, selv om andre elektroner går mellom dem.
Kampanjevideo:
Denne justeringen lar strømmen strømme gjennom materialet uten å motstå motstand, og derfor uten tap. De mest praktiske superledere som hittil er utviklet må være ved temperaturer rett over absolutt null for at denne tilstanden skal vedvare. Det kan imidlertid være unntak.
Nylig har forskere funnet at bombing av materiale med en laser med høy intensitet også kan banke elektroner i Cooper-par, om enn kort. Andrea Cavalleri fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg, Tyskland, og hans kolleger har funnet tegn på fotoindusert superledningsevne i metaller og isolatorer. Lyset som treffer materialet får atomene til å vibrere, og elektronene går kort inn i en tilstand av superledningsevne. "Opprystningen må være voldsom," sier David Esie, en fysiker ved kondensert stoff ved California Institute of Technology, som bruker den samme laserteknikken for å manifestere uvanlige kvanteeffekter i andre materialer. "Et øyeblikk blir det elektriske feltet veldig sterkt - men bare i kort tid."
Uknuselige koder
Elektronmanipulering er hvordan Trushheim og Englund satser på å utvikle ubrytelig kvantekryptering. I deres tilfelle er ikke målet å endre materialegenskapene, men å overføre kvanteegenskapene til elektroner i designerdiamanter til fotoner som overfører kryptografiske nøkler. I fargesentrene til diamanter i Englunds laboratorium er det ledige elektroner som kan måles med et sterkt magnetfelt. Et spinn som er i tråd med feltet kan kalles spinn 1, et spinn som ikke stemmer, er spinn 2, som tilsvarer 1 og 0 i den digitale biten. "Det er en kvantepartikkel, så det kan være i begge stater samtidig," sier Englund. En kvantebit, eller qubit, er i stand til å utføre mange beregninger samtidig.
Det er her en mystisk eiendom blir født - kvanteforvikling. Tenk deg en boks som inneholder røde og blå kuler. Du kan ta en uten å se og stikke den i lommen, og deretter dra til en annen by. Ta deretter ballen ut av lommen og finn ut at den er rød. Du vil umiddelbart forstå at det er en blå ball i boksen. Dette er forvirring. I kvanteverdenen tillater denne effekten informasjon som kan overføres umiddelbart og over lange avstander.
De fargede sentrene i diamanten på Englunds laboratorium overfører kvantetilstandene til elektronene de inneholder til fotoner gjennom vikling, og skaper "flygende qubits", som Englund kaller dem. I konvensjonell optisk kommunikasjon kan et foton overføres til en mottaker - i dette tilfellet et annet ledig tomrom i en diamant - og dens kvantetilstand vil bli overført til et nytt elektron, så de to elektronene er bundet. Overføring av disse tilstoppede bitene gjør at to personer kan dele den kryptografiske nøkkelen. "Hver har en streng med nuller og ener, eller høye og lave spinn, som virker helt tilfeldige, men de er identiske," sier Englund. Ved å bruke denne nøkkelen til å kryptere de overførte dataene, kan du gjøre dem helt sikre. Hvis noen ønsker å fange opp sendingen, vil avsenderen vite om den,fordi handlingen med å måle en kvantetilstand vil endre den.
Englund eksperimenterer med et kvantenettverk som sender fotoner ned optisk fiber gjennom laboratoriet sitt, et objekt nedover veien ved Harvard University og et annet MIT-laboratorium i den nærliggende byen Lexington. Forskere har allerede lyktes i å overføre kvante-kryptografiske nøkler over lange avstander - i 2017 rapporterte kinesiske forskere at de hadde overført en slik nøkkel fra en satellitt i bane rundt jorden til to bakkestasjoner med 1200 kilometer mellomrom i fjellene i Tibet. Men bithastigheten i det kinesiske eksperimentet var for lav for praktisk kommunikasjon: forskere registrerte bare ett forvirrende par på seks millioner. En innovasjon som vil gjøre kryptografiske kvantenettverk på jorden praktisk, er kvanteforsterkere, enheter plassert med intervaller på nettverket som forsterker signalet,uten å endre kvanteegenskapene. Englunds mål er å finne materialer med passende atomdefekter slik at disse kvanteforsterkere kan opprettes fra dem.
Trikset er å lage nok sammenfiltrede fotoner til å bære dataene. Et elektron i en nitrogensubstituert stilling opprettholder sentrifugeringen lenge nok - omtrent et sekund - noe som øker sjansene for at laserlys vil passere gjennom det og produsere en sammenfiltret foton. Men nitrogenatomet er lite og fyller ikke rommet som er skapt av fravær av karbon. Derfor kan påfølgende fotoner ha litt forskjellige farger, noe som betyr at de mister korrespondansen. Andre atomer, tinn, fester seg for eksempel tett og skaper en stabil bølgelengde. Men de vil ikke være i stand til å holde spinnet lenge nok - derfor er arbeidet i gang for å finne den perfekte balansen.
Slitte tupper
Mens Englund og andre prøver å takle individuelle elektroner, dykker andre dypere inn i kvanteverdenen og prøver å manipulere brøkdelen av elektroner. Dette arbeidet er forankret i et eksperiment i 1982, da forskere ved Bell Laboratories og Lawrence Livermore National Laboratories klemte seg inn i to lag med forskjellige halvlederkrystaller, avkjølte dem til nesten null og påførte et sterkt magnetfelt på dem og fanget elektroner i et plan mellom to lag med krystaller. … Så det ble dannet en slags kvantesuppe, der bevegelsen til et hvilket som helst elektron ble bestemt av ladningene det følte fra andre elektroner. "Dette er ikke lenger individuelle partikler i seg selv," sier Michael Manfra fra Purdue University. “Se for deg en ballett der hver danser ikke bare gjør sine egne skritt,men reagerer også på bevegelsen til en partner eller andre dansere. Det er litt av et generelt svar."
Det rare med alt dette er at en slik samling kan ha brøkdeler. Et elektron er en udelelig enhet, den kan ikke kuttes i tre deler, men en gruppe elektroner i ønsket tilstand kan produsere en såkalt kvasipartikkel med 1/3 av ladningen. "Det er som elektroner blir delt opp," sier Mohammed Hafezi, en fysiker ved Joint Quantum Institute. "Det er veldig rart". Hafezi skapte denne effekten i ultrakold grafen, et monatomisk lag av karbon, og viste nylig at han kan manipulere bevegelsen til kvasipartikler ved å belyse grafen med en laser. "Det overvåkes nå," sier han. “Eksterne knuter som magnetfelt og lys kan manipuleres, trekkes opp eller bindes. Naturen til kollektiv endring er i endring."
Quasiparticle manipulasjon lar deg lage en spesiell type qubit - en topologisk qubit. Topologi er en gren av matematikk som studerer egenskapene til et objekt som ikke endres selv om objektet er vridd eller deformert. Et typisk eksempel er en smultring: hvis den var perfekt elastisk, kunne den omformes til en kaffekopp uten å endre noe mye; hullet i smultringen vil spille en ny rolle i hullet i kopphåndtaket. For å gjøre en smultring til en kringle, må du imidlertid legge til nye hull i den, og endre topologien.
En topologisk qubit beholder egenskapene selv under skiftende forhold. Vanligvis endrer partikler sine kvantetilstander, eller "decohere", når noe i deres miljø blir forstyrret, for eksempel små vibrasjoner forårsaket av varme. Men hvis du lager en qubit fra to kvasepartikler atskilt med en viss avstand, for eksempel i motsatte ender av en nanotråd, splitter du egentlig et elektron. Begge halvdelene måtte oppleve det samme brudd for å decohere, noe som neppe vil skje.
Denne egenskapen gjør topologiske qubits attraktive for kvantecomputere. På grunn av en qubits evne til å være i en superposisjon av mange stater samtidig, må kvantecomputere kunne utføre beregninger som er praktisk talt umulige uten dem, for eksempel for å simulere Big Bang. Manfra prøver i hovedsak å bygge kvantecomputere fra topologiske qubits hos Microsoft. Men det er også enklere tilnærminger. Google og IBM prøver i hovedsak å bygge kvantecomputere basert på superkjølte ledninger som blir halvledere eller ioniserte atomer i et vakuumkammer som holdes av lasere. Problemet med disse tilnærmingene er at de er mer følsomme for miljøendringer enn topologiske qubits, spesielt hvis antall qubits vokser.
Dermed kan topologiske qubits revolusjonere vår evne til å manipulere små ting. Imidlertid er det ett betydelig problem: de eksisterer ikke ennå. Forskere sliter med å lage dem fra såkalte Majorana-partikler. Foreslått av Ettore Majorana i 1937, er denne partikkelen sin egen antipartikkel. Elektronet og dets antipartikkel, positronen, har identiske egenskaper, bortsett fra ladning, men ladningen til Majorana-partikkelen vil være null.
Forskere mener at visse konfigurasjoner av elektroner og hull (ingen elektroner) kan oppføre seg som Majorana-partikler. De kan i sin tur brukes som topologiske qubits. I 2012 målte fysikeren Leo Kouvenhoven ved Delft University of Technology i Nederland og hans kolleger hva de trodde var Majorana-partikler i et nettverk av superledende og halvledende nanotråder. Men den eneste måten å bevise eksistensen av disse kvasipartiklene er å lage en topologisk qubit basert på dem.
Andre eksperter på dette området er mer optimistiske. "Jeg tror uten spørsmål noen en dag vil opprette en topologisk qubit, bare for moro skyld," sier Steve Simon, en teoretiker med kondens ved Oxford University. "Det eneste spørsmålet er om vi kan lage av dem fremtidens kvantecomputer."
Kvantecomputere - så vel som superledere med høy temperatur og ubrytelig kvantekryptering - kan vises mange år fra nå eller aldri. Men samtidig prøver forskere å tyde naturens mysterier i minste skala. Så langt er det ingen som vet hvor langt de kan gå. Jo dypere vi trenger inn i de minste komponentene i vårt univers, jo mer skyver de oss ut.
Ilya Khel
