Matt Trushheim okreće prekidač u mračnom laboratoriju, a snažni zeleni laser osvjetljava maleni dijamant koji se nalazi ispod mikroskopskog objektiva. Na zaslonu računala pojavljuje se slika, difuzni oblak plina prošaran jarko zelenim točkama. Te svijetleće točkice maleni su nedostaci unutar dijamanta u kojima su dva atoma ugljika zamijenjena jednim atomom kalaja. Laserska svjetlost koja prolazi kroz njih prelazi iz jedne sjene zelene u drugu.
Kasnije će se ovaj dijamant ohladiti na temperaturu tekućeg helija. Kontrolirajući kristalnu strukturu dijamantnog atoma po atomu, dovodeći je do nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule i primjenjujući magnetsko polje, istraživači iz Laboratorija za kvantnu fotoniku, pod vodstvom fizičara Dirka Englunda s MIT-a, misle da s takvom preciznošću mogu odabrati kvantno-mehanička svojstva fotona i elektrona. da će moći prenositi neraskidive tajne kodove.
Trushheim je jedan od mnogih znanstvenika koji pokušavaju otkriti koji će atomi, zatvoreni u kristale, pod kojim uvjetima omogućiti da steknu kontrolu nad ovom razinom. Zapravo, znanstvenici širom svijeta pokušavaju naučiti kako kontrolirati prirodu na razini atoma i niže, nad elektronima ili čak djelićem elektrona. Cilj im je pronaći čvorove koji kontroliraju temeljna svojstva materije i energije, te ih zategnuti ili raspetljati mijenjajući materiju i energiju, kako bi stvorili supermoćna kvantna računala ili supravodiče koji rade na sobnoj temperaturi.
Ovi se znanstvenici suočavaju s dva glavna izazova. Na tehničkoj razini vrlo je teško izvoditi takav posao. Na primjer, neki kristali moraju biti 99,99999999% čisti u vakuumskim komorama čišćim od svemira. Još je temeljniji izazov da se kvantni učinci koje znanstvenici žele suzbiti - na primjer, sposobnost čestice da istovremeno bude u dva stanja, poput Schrödingerove mačke - pojave na razini pojedinačnih elektrona. U makrokozmosu se ta magija urušava. Slijedom toga, znanstvenici moraju manipulirati materijom na najmanjoj skali, a ograničeni su ograničenjima temeljne fizike. Njihov će uspjeh odrediti kako će se naše razumijevanje znanosti i tehnoloških sposobnosti promijeniti u narednim desetljećima.
San alkemičara
Manipuliranje tvari, u određenoj se mjeri, sastoji se od manipuliranja elektronima. Na kraju, ponašanje elektrona u tvari određuje njezina svojstva u cjelini - ta će tvar biti metal, vodič, magnet ili nešto treće. Neki znanstvenici pokušavaju promijeniti kolektivno ponašanje elektrona stvaranjem kvantne sintetske tvari. Znanstvenici vide kako „uzimamo izolator i pretvaramo ga u metal ili poluvodič, a zatim u supravodnik. Nemagnetni materijal možemo pretvoriti u magnetski”, kaže fizičarka Eva Andrew sa Sveučilišta Rutgers. "Ovo je ostvarenje sna alkemičara."
A ovaj san može dovesti do pravih otkrića. Primjerice, znanstvenici su desetljećima pokušavali stvoriti supravodiče koji rade na sobnoj temperaturi. Uz pomoć ovih materijala bilo bi moguće stvoriti dalekovode koji ne troše energiju. 1957. fizičari John Bardeen, Leon Cooper i John Robert Schrieffer pokazali su da se supravodljivost događa kada se slobodni elektroni u metalu poput aluminija poravnaju u takozvanim Cooperovim parovima. Iako je bio relativno daleko, svaki je elektron odgovarao drugome, sa suprotnim vrtnjom i zamahom. Poput parova koji plešu u gužvi u diskoteci, i upareni se elektroni kreću u koordinaciji s drugima, čak i ako drugi elektroni prolaze između njih.
Promotivni video:
Ovo poravnanje omogućuje struji da prolazi kroz materijal bez nailaženja na otpor, a time i bez gubitaka. Do danas najpraktičniji superprovodnici moraju biti na temperaturama malo iznad apsolutne nule da bi ovo stanje moglo postojati. Međutim, mogu postojati iznimke.
Nedavno su istraživači otkrili da bombardiranje materijala laserom visokog intenziteta također može srušiti elektrone u Cooperove parove, iako nakratko. Andrea Cavalleri s Instituta Max Planck za strukturu i dinamiku materije u Hamburgu u Njemačkoj i njegovi kolege pronašli su znakove fotoinducirane supravodljivosti u metalima i izolatorima. Svjetlost koja udara u materijal uzrokuje titranje atoma i elektroni nakratko ulaze u stanje supravodljivosti. "Tresenje mora biti žestoko", kaže David Esie, fizičar kondenzirane materije s Kalifornijskog tehnološkog instituta, koji koristi istu lasersku tehniku kako bi očitovao neobične kvantne učinke u drugim materijalima. "Na trenutak, električno polje postaje vrlo jako - ali samo na kratko."
Neraskidivi kodovi
Kontroliranje elektrona je način na koji su Trushheim i Englund krenuli u razvoj neraskidive kvantne enkripcije. U njihovom slučaju, cilj nije promjena svojstava materijala, već prijenos kvantnih svojstava elektrona u dizajnerskim dijamantima na fotone koji prenose kriptografske ključeve. Centri boja dijamanata u Englundovu laboratoriju sadrže slobodne elektrone, čiji se spin može izmjeriti pomoću jakog magnetskog polja. Spin koji se poravna s poljem može se nazvati spin 1, spin koji se ne poravna je spin 2, što je ekvivalentno 1 i 0 u digitalnom bitu. "To je kvantna čestica, tako da može biti istovremeno u oba stanja", kaže Englund. Kvantni bit, ili qubit, sposoban je istodobno izvoditi mnoge izračune.
Tu se rađa misteriozno svojstvo - kvantna zapletenost. Zamislite kutiju u kojoj se nalaze crvene i plave kuglice. Možete uzeti jedan bez gledanja i zabiti ga u džep, a zatim otići u drugi grad. Zatim izvadite loptu iz džepa i utvrdite da je crvena. Odmah ćete shvatiti da se u kutiji nalazi plava kugla. Ovo je zabuna. U kvantnom svijetu, ovaj efekt omogućuje prijenos informacija trenutno i na velike udaljenosti.
Obojeni centri u dijamantu u Englundovu laboratoriju prenose kvantna stanja elektrona koje sadrže na fotone isprepletanjem, stvarajući "leteće kubite", kako ih naziva Englund. U uobičajenim optičkim komunikacijama, foton se može prenijeti na primatelja - u ovom slučaju, drugu praznu prazninu u dijamantu - i njegovo kvantno stanje prenijet će se na novi elektron, pa su dva elektrona vezana. Prijenos ovih zamagljenih bitova omogućit će dvoje ljudi da dijele kriptografski ključ. "Svaka ima niz nula i jedinica, ili visokih i niskih okretaja, koji se čine potpuno slučajnima, ali su identični", kaže Englund. Pomoću ovog ključa za šifriranje prenesenih podataka možete ih učiniti apsolutno sigurnima. Ako netko želi presretnuti prijenos, pošiljatelj će znati za to,jer će ga čin mjerenja kvantnog stanja promijeniti.
Englund eksperimentira s kvantnom mrežom koja šalje fotone niz optička vlakna kroz svoj laboratorij, objekt niz cestu na Sveučilištu Harvard i još jedan MIT laboratorij u obližnjem gradu Lexingtonu. Znanstvenici su već uspjeli prenijeti kvantne kriptografske ključeve na velike udaljenosti - 2017. kineski su znanstvenici izvijestili da su takav ključ prenijeli sa satelita u orbiti Zemlje na dvije zemaljske stanice udaljene 1200 kilometara u planinama Tibeta. Ali brzina prijenosa kineskog eksperimenta bila je preniska za praktične komunikacije: znanstvenici su zabilježili samo jedan zbunjujući par u šest milijuna. Inovacija koja će kriptografske kvantne mreže na zemlji učiniti praktičnim su kvantni repetitori, uređaji postavljeni u intervalima na mreži koji pojačavaju signal,bez mijenjanja njegovih kvantnih svojstava. Cilj Englunda je pronaći materijale s prikladnim atomskim defektima kako bi se od njih mogli stvoriti ovi kvantni repetitori.
Trik je u stvaranju dovoljno zapletenih fotona koji će prenositi podatke. Elektron u prazninu zamijenjenom dušikom održava svoj spin dovoljno dugo - oko sekunde - što povećava šanse da će laserska svjetlost proći kroz njega i stvoriti zapleteni foton. Ali atom dušika je mali i ne ispunjava prostor stvoren odsutnošću ugljika. Stoga uzastopni fotoni mogu biti malo različitih boja, što znači da će izgubiti korespondenciju. Ostali atomi, na primjer, kositar, čvrsto se prianjaju i stvaraju stabilnu valnu duljinu. No, okretanje neće moći zadržati dovoljno dugo - stoga se radi na pronalaženju savršene ravnoteže.
Ispucali vrhovi
Dok se Englund i drugi pokušavaju nositi s pojedinačnim elektronima, drugi zaranjaju dublje u kvantni svijet i pokušavaju manipulirati frakcijom elektrona. Ovo je djelo ukorijenjeno u eksperimentu 1982. godine, kada su znanstvenici iz laboratorija Bell i Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore stisnuli dva sloja različitih poluvodičkih kristala, ohladili ih na gotovo apsolutnu nulu i na njih primijenili jako magnetsko polje, zarobivši elektrone u ravnini između dva sloja kristala. … Tako je nastala vrsta kvantne juhe u kojoj se kretanje bilo kojeg pojedinog elektrona određivalo nabojima koje je osjećao od drugih elektrona. "To više nisu pojedinačne čestice same za sebe", kaže Michael Manfra sa Sveučilišta Purdue. „Zamislite balet u kojem svaki plesač ne samo da čini svoje korake,ali također reagira na pokret partnera ili drugih plesača. To je nekako općenit odgovor."
Čudna stvar u svemu tome je da takva zbirka može imati djelomice naboje. Elektron je nedjeljiva jedinica, ne može se izrezati na tri dijela, ali skupina elektrona u željenom stanju može proizvesti takozvanu kvazičesticu s 1/3 naboja. "Kao da se elektroni dijele", kaže Mohammed Hafezi, fizičar iz Joint Quantum Institute. "To je vrlo čudno". Hafezi je stvorio ovaj efekt u ultrahladnom grafenu, monatomskom sloju ugljika, a nedavno je pokazao da može manipulirati kretanjem kvazičestica osvjetljavajući grafen laserom. "Sad se to prati", kaže. „Vanjskim čvorovima, poput magnetskih polja i svjetlosti, može se manipulirati, povući ili odvezati. Priroda kolektivnih promjena se mijenja."
Kvazipartikularna manipulacija omogućuje vam stvaranje posebne vrste kubita - topološkog kubita. Topologija je grana matematike koja proučava svojstva predmeta koja se ne mijenjaju čak i ako je taj objekt uvijen ili deformiran. Tipičan je primjer krafne: da je savršeno elastična, mogla bi se preoblikovati u šalicu za kavu, a da se ništa puno ne promijeni; rupa na krafni igrat će novu ulogu u rupi na dršci čaše. Međutim, da biste krafnu pretvorili u perec, morat ćete joj dodati nove rupe, mijenjajući topologiju.
Topološki kubit zadržava svoja svojstva čak i pod promjenjivim uvjetima. Čestice obično mijenjaju svoja kvantna stanja, ili "dekohere", kada je nešto u njihovoj okolini poremećeno, poput malih vibracija uzrokovanih toplinom. Ali ako napravite kubit od dvije kvazičestice odvojene nekom udaljenostom, recimo, na suprotnim krajevima nanožice, u biti dijelite elektron. Obje polovice morale bi doživjeti isto kršenje kako bi se odvojile od mjesta, što je malo vjerojatno da će se dogoditi.
Ovo svojstvo čini topološke kubite atraktivnim za kvantna računala. Zbog sposobnosti qubita da istovremeno bude u superpoziciji mnogih stanja, kvantna računala moraju biti sposobna izvoditi izračune koji su praktički nemogući bez njih, na primjer, za simulaciju Velikog praska. Manfra u osnovi pokušava izgraditi kvantna računala od topoloških kubita u Microsoftu. Ali postoje i jednostavniji pristupi. Google i IBM u osnovi pokušavaju izgraditi kvantna računala od prehlađenih žica koje postaju poluvodiči ili ionizirani atomi u vakuumskoj komori, a zajedno ih drže laseri. Problem s tim pristupima je u tome što su osjetljiviji na promjene u okolišu od topoloških kubita, posebno ako broj kubita raste.
Dakle, topološki kubiti mogu revolucionirati našu sposobnost manipulacije sitnim stvarima. Međutim, postoji jedan značajan problem: oni još ne postoje. Istraživači se trude stvoriti ih od takozvanih čestica Majorane. Predložio Ettore Majorana 1937. godine, ova čestica je vlastita antičestica. Elektron i njegova antičestica, pozitron, imaju identična svojstva, osim naboja, ali naboj čestice Majorane bit će nula.
Znanstvenici vjeruju da se određene konfiguracije elektrona i rupa (bez elektrona) mogu ponašati poput čestica Majorane. Oni se pak mogu koristiti kao topološki kubiti. 2012. fizičar Leo Kouvenhoven s nizozemskog Tehničkog sveučilišta Delft i njegovi kolege izmjerili su ono što su mislili da su čestice majorane u mreži supravodljivih i poluvodičkih nanožica. Ali jedini način da se dokaže postojanje ovih kvazičestica je stvaranje topološkog qubita na temelju njih.
Ostali stručnjaci u ovom području optimističniji su. "Mislim da će bez ikakvih pitanja netko jednog dana stvoriti topološki kubit, samo iz zabave", kaže Steve Simon, teoretičar zgusnute materije sa Sveučilišta Oxford. "Pitanje je samo možemo li od njih napraviti kvantno računalo budućnosti."
Kvantna računala - kao i visokotemperaturni supravodiči i neraskidiva kvantna enkripcija - mogu se pojaviti, a možda i ne, nakon mnogo godina. Ali istodobno, znanstvenici pokušavaju odgonetnuti misterije prirode na najmanjoj ljestvici. Zasad nitko ne zna dokle mogu ići. Što dublje prodiremo u najmanje komponente našeg svemira, oni nas više tjeraju van.
Ilja Khel
