Matt Trushheim přepne přepínač v temné laboratoři a silný zelený laser osvětlí malý diamant držený na místě pod objektivem mikroskopu. Na obrazovce počítače se objeví obraz, rozptýlený oblak plynu posetý jasně zelenými tečkami. Tyto zářící tečky jsou drobné vady uvnitř diamantu, ve kterých jsou dva atomy uhlíku nahrazeny jedním atomem cínu. Laserové světlo, které jimi prochází, prochází z jednoho odstínu zelené do druhého.
Později bude tento diamant ochlazen na teplotu kapalného hélia. Řídením krystalové struktury atomu diamantu po atomu, jejím uvedením na několik stupňů nad absolutní nulu a použitím magnetického pole si vědci z Laboratoře kvantové fotoniky, vedené fyzikem Dirkem Englundem z MIT, myslí, že mohou s takovou přesností vybírat kvantově mechanické vlastnosti fotonů a elektronů. že budou moci přenášet nerozbitné tajné kódy.
Trushheim je jedním z mnoha vědců, kteří se snaží zjistit, které atomy uzavřené v krystalech, za jakých podmínek jim umožní získat kontrolu nad touto úrovní. Vědci z celého světa se ve skutečnosti snaží naučit ovládat přírodu na úrovni atomů a níže, na elektrony nebo dokonce na zlomek elektronu. Jejich cílem je najít uzly, které řídí základní vlastnosti hmoty a energie, a utáhnout nebo rozmotat tyto uzly změnou hmoty a energie, aby vytvořily super výkonné kvantové počítače nebo supravodiče, které pracují při pokojové teplotě.
Tito vědci čelí dvěma hlavním výzvám. Na technické úrovni je velmi obtížné takové práce provádět. Například některé krystaly musí být ve vakuových komorách čistší než 99,99999999% než vesmír. Ještě zásadnější výzvou je, že kvantové efekty, které chtějí vědci potlačit - například schopnost částice být ve dvou stavech současně, jako Schrödingerova kočka - se objevují na úrovni jednotlivých elektronů. V makrokosmu se tato magie zhroutí. V důsledku toho musí vědci manipulovat s hmotou v nejmenším měřítku a jsou omezeni limity základní fyziky. Jejich úspěch určí, jak se v nadcházejících desetiletích změní naše chápání vědeckých a technologických schopností.
Alchemistův sen
Manipulace s hmotou do určité míry spočívá v manipulaci s elektrony. Nakonec chování elektronů v látce určuje její vlastnosti jako celek - touto látkou bude kov, vodič, magnet nebo něco jiného. Někteří vědci se snaží změnit kolektivní chování elektronů vytvořením kvantové syntetické látky. Vědci vidí, jak „vezmeme izolátor a přeměníme ho na kov nebo polovodič a poté na supravodič. Z nemagnetického materiálu můžeme udělat magnetický, “říká fyzik Eva Andrew z Rutgers University. „Toto je sen alchymisty.“
A tento sen může vést ke skutečným průlomům. Vědci se například po celá desetiletí snažili vytvořit supravodiče, které fungují při pokojové teplotě. S pomocí těchto materiálů by bylo možné vytvořit elektrické vedení, které nebude plýtvat energií. V roce 1957 fyzici John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer prokázali, že k supravodivosti dochází, když se volné elektrony v kovu, jako je hliník, vyrovnají v tzv. Cooperových párech. I když byl relativně daleko, každý elektron odpovídal jinému, s opačnou rotací a hybností. Stejně jako páry tančící v davu na diskotéce se spárované elektrony pohybují v koordinaci s ostatními, i když mezi nimi procházejí další elektrony.
Propagační video:
Toto vyrovnání umožňuje, aby proud protékal materiálem bez narušení odporu, a proto bez ztráty. Nejpraktičtější supravodiče vyvinuté doposud musí být při teplotách těsně nad absolutní nulou, aby tento stav přetrvával. Mohou však existovat výjimky.
V poslední době vědci zjistili, že bombardování materiálu vysoce intenzivním laserem může také elektrony srazit do párů Coopera, i když krátce. Andrea Cavalleri z Institutu Maxe Plancka pro strukturu a dynamiku hmoty v německém Hamburku a jeho kolegové našli známky fotoindukované supravodivosti v kovech a izolátorech. Světlo dopadající na materiál způsobuje vibrace atomů a elektrony krátce vstupují do stavu supravodivosti. „Otřes musí být prudký,“říká David Esie, fyzik kondenzovaných látek z Kalifornského technologického institutu, který stejnou laserovou technikou projevuje neobvyklé kvantové efekty v jiných materiálech. „Na chvíli se elektrické pole stává velmi silným - ale jen na krátkou dobu.“
Nerozbitné kódy
Řízení elektronů je způsob, jakým se Trushheim a Englund rozhodli vyvinout nerozbitné kvantové šifrování. V jejich případě není cílem změnit vlastnosti materiálů, ale přenést kvantové vlastnosti elektronů v návrhářských diamantech na fotony, které přenášejí kryptografické klíče. Barevná centra diamantů v Englundově laboratoři obsahují volné elektrony, jejichž otáčky lze měřit pomocí silného magnetického pole. Rotace, která je zarovnána s polem, může být nazývána rotace 1, rotace, která není zarovnána, je spin 2, což je ekvivalent 1 a 0 v digitálním bitu. „Je to kvantová částice, takže může být současně v obou státech,“říká Englund. Kvantový bit neboli qubit je schopen provádět mnoho výpočtů najednou.
Zde se rodí záhadná vlastnost - kvantové zapletení. Představte si krabici obsahující červené a modré kuličky. Můžete si jednu vzít, aniž byste se dívali, strčit si ji do kapsy a pak odjet do jiného města. Poté vytáhněte míč z kapsy a zjistěte, že je červený. Okamžitě pochopíte, že v krabici je modrá koule. To je zmatek. V kvantovém světě umožňuje tento efekt přenášet informace okamžitě a na velké vzdálenosti.
Barevné centra v diamantu v Englundově laboratoři přenášejí kvantové stavy elektronů, které obsahují, do fotonů prostřednictvím zapletení a vytvářejí „létající qubity“, jak je Englund nazývá. V konvenční optické komunikaci může být foton přenášen na příjemce - v tomto případě další prázdná prázdnota v diamantu - a jeho kvantový stav bude přenesen na nový elektron, takže oba elektrony jsou vázány. Přenos těchto zmatených bitů umožní dvěma lidem sdílet kryptografický klíč. "Každá má řadu nul a jedniček, nebo vysokých a nízkých otáček, které se zdají být zcela náhodné, ale jsou identické," říká Englund. Pomocí tohoto klíče můžete zašifrovat přenášená data a zajistit tak jejich absolutní bezpečnost. Pokud někdo chce přenos zachytit, bude o tom odesílatel vědět,protože to změří kvantový stav.
Englund experimentuje s kvantovou sítí, která posílá fotony dolů optickým vláknem přes jeho laboratoř, objekt po silnici na Harvardské univerzitě a další laboratoř MIT v nedalekém Lexingtonu. Vědcům se již podařilo přenést kvantově kryptografické klíče na velké vzdálenosti - v roce 2017 čínští vědci uvedli, že takový klíč přenesli ze satelitu na oběžné dráze Země do dvou pozemních stanic vzdálených 1200 kilometrů v horách Tibetu. Bitrate čínského experimentu však byl příliš nízký pro praktickou komunikaci: vědci zaznamenali pouze jeden matoucí pár ze šesti milionů. Inovace, díky které budou kryptografické kvantové sítě na Zemi praktické, jsou kvantové opakovače, zařízení umístěná v intervalech v síti, která zesilují signál,beze změny jeho kvantových vlastností. Englundovým cílem je najít materiály s vhodnými atomovými defekty, aby z nich bylo možné vytvořit tyto kvantové opakovače.
Trik spočívá ve vytvoření dostatečného množství zapletených fotonů, které by mohly přenášet data. Elektron na volném místě substituovaném dusíkem udržuje svůj spin dostatečně dlouho - asi jednu sekundu - což zvyšuje šance, že laserové světlo projde skrz něj a vytvoří zapletený foton. Atom dusíku je však malý a nevyplňuje prostor vytvořený nepřítomností uhlíku. Následné fotony proto mohou mít mírně odlišné barvy, což znamená, že ztratí svou korespondenci. Jiné atomy, například cín, pevně přilnou a vytvoří stabilní vlnovou délku. Nebudou však schopni dostatečně dlouho otáčet - proto se pracuje na nalezení dokonalé rovnováhy.
Rozdělené konce
Zatímco Englund a další se snaží vypořádat s jednotlivými elektrony, jiní se ponoří hlouběji do kvantového světa a pokusí se manipulovat se zlomkem elektronů. Tato práce vychází z experimentu z roku 1982, kdy vědci z Bell Laboratory a Lawrence Livermore National Laboratory vložili dvě vrstvy různých polovodičových krystalů, ochladili je téměř na absolutní nulu a aplikovali na ně silné magnetické pole a zachytili elektrony v rovině mezi dvěma vrstvami krystalů. … Vznikla tedy jakási kvantová polévka, ve které byl pohyb jakéhokoli jednotlivého elektronu určen náboji, které cítil z jiných elektronů. "Už to nejsou jednotlivé částice samy o sobě," říká Michael Manfra z Purdue University. "Představte si balet, ve kterém každý tanečník dělá nejen své vlastní kroky,"ale také reaguje na pohyb partnera nebo jiných tanečníků. Je to trochu obecná odpověď. “
Zvláštní na tom všem je, že taková sbírka může mít zlomkové náboje. Elektron je nedělitelná jednotka, nelze jej rozdělit na tři části, ale skupina elektronů v požadovaném stavu může s 1/3 náboje vytvořit takzvaný kvazičástice. „Je to, jako by se elektrony rozdělovaly,“říká Mohammed Hafezi, fyzik Společného kvantového institutu. „Je to velmi podivné“. Hafezi vytvořil tento efekt v ultracoldovém grafenu, monatomické vrstvě uhlíku, a nedávno ukázal, že dokáže manipulovat s pohybem kvazičástic osvětlením grafenu laserem. "Nyní je to monitorováno," říká. "S externími uzlíky, jako jsou magnetická pole a světlo, lze manipulovat, vytahovat je nebo uvolňovat." Povaha kolektivní změny se mění. “
Manipulace s Quasiparticle vám umožňuje vytvořit speciální typ qubit - topologický qubit. Topologie je odvětví matematiky, které studuje vlastnosti objektu, které se nemění, i když je tento objekt zkroucený nebo deformovaný. Typickým příkladem je kobliha: pokud by byla dokonale elastická, mohla by být přetvořena do šálku na kávu, aniž by se cokoli hodně změnilo; otvor v koblize bude hrát novou roli v otvoru v rukojeti šálku. Aby se však kobliha změnila na preclík, musíte do ní přidat nové díry a změnit její topologii.
Topologický qubit si zachovává své vlastnosti i za měnících se podmínek. Částice obvykle mění své kvantové stavy nebo „dekomprimují“, když je něco v jejich prostředí narušeno, například malé vibrace způsobené teplem. Ale pokud vytvoříte qubit ze dvou kvazičástic oddělených určitou vzdáleností, řekněme, na opačných koncích nanodráty, v podstatě štěpíte elektron. Obě poloviny by musely zažít stejné porušení, aby se odhalovaly, což se pravděpodobně nestane.
Díky této vlastnosti jsou topologické qubity atraktivní pro kvantové počítače. Kvůli schopnosti qubitu být v superpozici mnoha států současně musí být kvantové počítače schopné provádět výpočty, které jsou bez nich prakticky nemožné, například simulovat Velký třesk. Manfra se v podstatě snaží vybudovat kvantové počítače z topologických qubitů v Microsoftu. Existují však také jednodušší přístupy. Google a IBM se v podstatě snaží postavit kvantové počítače z podchlazených vodičů, které se stávají polovodiči nebo ionizovanými atomy ve vakuové komoře, držené pohromadě lasery. Problém těchto přístupů spočívá v tom, že jsou citlivější na změny prostředí než topologické qubits, zvláště pokud počet qubits roste.
Topologické qubits tedy mohou způsobit revoluci v naší schopnosti manipulovat s maličkostmi. Existuje však jeden významný problém: dosud neexistují. Vědci se snaží je vytvořit z takzvaných majoránských částic. Tato částice, kterou navrhl Ettore Majorana v roce 1937, je svou vlastní antičásticí. Elektron a jeho antičástice, pozitron, mají stejné vlastnosti, s výjimkou náboje, ale náboj částice Majorana bude nulový.
Vědci věří, že určité konfigurace elektronů a děr (žádné elektrony) se mohou chovat jako částice Majorany. Oni zase mohou být použity jako topologické qubits. V roce 2012 měřil fyzik Leo Kouvenhoven z Delft University of Technology v Nizozemsku a jeho kolegové v síti supravodivých a polovodičových nanodrátů to, co považovali za částice Majorana. Jediným způsobem, jak dokázat existenci těchto kvazičástic, je vytvořit na nich založený topologický qubit.
Ostatní odborníci v této oblasti jsou optimističtější. "Myslím, že bez otázek někdo jednoho dne vytvoří topologický qubit, jen tak pro zábavu," říká Steve Simon, teoretik zhuštěné hmoty na Oxfordské univerzitě. „Jedinou otázkou je, zda z nich můžeme udělat kvantový počítač budoucnosti.“
Kvantové počítače - stejně jako vysokoteplotní supravodiče a nerozbitné kvantové šifrování - se mohou objevit mnoho let ode dneška nebo nikdy. Vědci se ale zároveň snaží rozluštit tajemství přírody v nejmenším měřítku. Zatím nikdo neví, kam až mohou zajít. Čím hlouběji pronikáme do nejmenších složek našeho vesmíru, tím více nás vytlačují.
Ilya Khel