Matt Trushheim vender omskifteren i det mørke laboratorium, og en kraftig grøn laser oplyser en lille diamant, der holdes på plads under et mikroskopmål. Et billede vises på computerskærmen, en diffus sky af gas prikket med lyse grønne prikker. Disse glødende prikker er små defekter inde i diamanten, hvor to kulstofatomer erstattes med et tinatom. Laserlys, der passerer igennem dem, passerer fra en grøn nuance til en anden.
Senere vil denne diamant blive afkølet til temperaturen i flydende helium. Ved at kontrollere krystalstrukturen af et diamantatom for atom, bringe det til et par grader over absolut nul og anvende et magnetfelt, tror forskere ved Quantum Photonics Laboratory, ledet af fysiker Dirk Englund ved MIT, at de kan vælge kvantemekaniske egenskaber af fotoner og elektroner med en sådan præcision. at de vil være i stand til at overføre ubrydelige hemmelige koder.
Trushheim er en af mange forskere, der forsøger at finde ud af, hvilke atomer, der er indesluttet i krystaller, under hvilke betingelser der giver dem mulighed for at få kontrol over dette niveau. Faktisk forsøger forskere over hele verden at lære, hvordan man styrer naturen på atomniveau og under, til elektroner eller endda en brøkdel af en elektron. Deres mål er at finde de knuder, der styrer grundlæggende egenskaber ved stof og energi, og stramme eller løsne disse knuder ved at ændre stof og energi for at skabe superkraftige kvantecomputere eller superledere, der arbejder ved stuetemperatur.
Disse forskere står over for to store udfordringer. På det tekniske niveau er det meget vanskeligt at udføre et sådant arbejde. Nogle krystaller skal for eksempel være 99,99999999% rene i vakuumkamre renere end plads. En endnu mere grundlæggende udfordring er, at de kvanteeffekter, som forskere vil begrænse - for eksempel en partikels evne til at være i to tilstande på samme tid, som Schrödingers kat - vises på niveauet for individuelle elektroner. I makrokosmos kollapser denne magi. Derfor skal forskere manipulere stof i mindste skala, og de er begrænset af grænserne for grundlæggende fysik. Deres succes vil afgøre, hvordan vores forståelse af videnskab og teknologiske kapaciteter vil ændre sig i de kommende årtier.
Alkymists drøm
Manipulering af materiale består til en vis grad af manipulation af elektroner. I sidste ende bestemmer elektroners opførsel i et stof dets egenskaber som helhed - dette stof vil være et metal, en leder, en magnet eller noget andet. Nogle forskere forsøger at ændre elektroners kollektive adfærd ved at skabe et kvantesyntetisk stof. Forskere ser, hvordan”vi tager en isolator og omdanner den til et metal eller en halvleder og derefter til en superleder. Vi kan gøre et ikke-magnetisk materiale til et magnetisk,”siger fysiker Eva Andrew fra Rutgers University. "Dette er en alkymists drøm, der er gået i opfyldelse."
Og denne drøm kan føre til reelle gennembrud. For eksempel har forskere i årtier forsøgt at skabe superledere, der arbejder ved stuetemperatur. Ved hjælp af disse materialer ville det være muligt at skabe kraftledninger, der ikke spilder energi. I 1957 demonstrerede fysikerne John Bardeen, Leon Cooper og John Robert Schrieffer, at superledningsevne opstår, når frie elektroner i et metal som aluminium justeres i det, der kaldes Cooper-par. Selvom de var relativt langt væk, svarede hver elektron til en anden med det modsatte spin og momentum. Som par, der danser i en skare på et diskotek, bevæger parrede elektroner sig i koordination med andre, selvom andre elektroner passerer imellem dem.
Salgsfremmende video:
Denne justering tillader strøm at strømme gennem materialet uden at støde på modstand og derfor tabsfrit. De mest praktiske superledere, der hidtil er udviklet, skal være ved temperaturer lige over absolut nul for at denne tilstand skal bestå. Der kan dog være undtagelser.
For nylig har forskere fundet, at bombardering af materiale med en laser med høj intensitet også kan banke elektroner i Cooper-par, omend kort. Andrea Cavalleri fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamborg, Tyskland, og hans kolleger har fundet tegn på fotoinduceret superledningsevne i metaller og isolatorer. Lyset, der rammer materialet, får atomerne til at vibrere, og elektronerne kommer kort ind i en tilstand af superledningsevne. "Oprystningen skal være hård," siger David Esie, en fysiker med kondenseret materiale ved California Institute of Technology, der bruger den samme laserteknik til at manifestere usædvanlige kvanteeffekter i andre materialer. "Et øjeblik bliver det elektriske felt meget stærkt - men kun i kort tid."
Ubrydelige koder
Styring af elektroner er, hvordan Trushheim og Englund satte sig for at udvikle ubrydelig kvantekryptering. I deres tilfælde er målet ikke at ændre materialernes egenskaber, men at overføre elektronernes kvanteegenskaber i designerdiamanter til fotoner, der transmitterer kryptografiske nøgler. I farvecentre af diamanter i Englunds laboratorium findes frie elektroner, hvis spins kan måles ved hjælp af et stærkt magnetfelt. Et spin, der stemmer overens med feltet, kan kaldes spin 1, et spin, der ikke stemmer overens, er spin 2, hvilket svarer til 1 og 0 i den digitale bit. "Det er en kvantepartikel, så det kan være i begge stater på samme tid," siger Englund. En kvantebit eller qubit er i stand til at udføre mange beregninger på samme tid.
Det er her, en mystisk egenskab fødes - kvanteindvikling. Forestil dig en kasse med røde og blå kugler. Du kan tage en uden at kigge og lægge den i lommen og derefter rejse til en anden by. Tag derefter bolden ud af lommen og find ud af, at den er rød. Du vil straks forstå, at der er en blå kugle i feltet. Dette er forvirring. I kvanteverdenen tillader denne effekt information at overføres straks og over lange afstande.
De farvede centre i diamanten på Englunds laboratorium transmitterer kvantetilstandene for de elektroner, de indeholder, til fotoner gennem sammenfiltring og skaber "flyvende qubits", som Englund kalder dem. I konventionel optisk kommunikation kan en foton transmitteres til modtageren - i dette tilfælde et andet ledigt tomrum i diamanten - og dens kvantetilstand overføres til en ny elektron, så de to elektroner er bundet. Ved at sende disse tilslørede bits kan to personer dele den kryptografiske nøgle.”Hver har en streng af nuller og ener, eller høje og lave spins, der virker helt tilfældige, men de er identiske,” siger Englund. Ved at bruge denne nøgle til at kryptere de transmitterede data kan du gøre dem helt sikre. Hvis nogen ønsker at opfange transmissionen, vil afsenderen vide om det,fordi handlingen med at måle en kvantetilstand vil ændre den.
Englund eksperimenterer med et kvantenetværk, der sender fotoner ned optisk fiber gennem sit laboratorium, et objekt langs vejen ved Harvard University og et andet MIT-laboratorium i den nærliggende by Lexington. Forskere har allerede formået at overføre kvante-kryptografiske nøgler over lange afstande - I 2017 rapporterede kinesiske forskere, at de havde overført en sådan nøgle fra en satellit i kredsløb om jorden til to jordstationer med 1200 kilometer afstand i bjergene i Tibet. Men bithastigheden i det kinesiske eksperiment var for lav til praktisk kommunikation: forskere registrerede kun et forvirrende par på seks millioner. En innovation, der vil gøre kryptografiske kvante netværk på jorden praktisk, er kvante repeatere, enheder placeret med intervaller på netværket, der forstærker signalet,uden at ændre dens kvanteegenskaber. Englunds mål er at finde materialer med passende atomfejl, så disse kvante repeatere kan oprettes ud fra dem.
Tricket er at skabe nok sammenfiltrede fotoner til at bære dataene. En elektron i en kvælstofsubstitueret ledig stilling opretholder sit spin længe nok - ca. et sekund - hvilket øger chancerne for, at laserlys passerer gennem det og producerer en sammenfiltret foton. Men nitrogenatomet er lille og fylder ikke det rum, der er skabt af fraværet af kulstof. Derfor kan efterfølgende fotoner have lidt forskellige farver, hvilket betyder at de mister deres korrespondance. Andre atomer, f.eks. Tin, klæber tæt sammen og skaber en stabil bølgelængde. Men de vil ikke være i stand til at holde centren længe nok - derfor arbejdes der for at finde den perfekte balance.
Spaltede spidser
Mens Englund og andre forsøger at klare individuelle elektroner, dykker andre dybere ned i kvanteverdenen og prøver at manipulere elektronbrøken. Dette arbejde er rodfæstet i et eksperiment i 1982, da forskere ved Bell Laboratories og Lawrence Livermore National Laboratories klemte to lag forskellige halvlederkrystaller, afkølede dem til næsten absolut nul og påførte et stærkt magnetfelt på dem og fangede elektroner i et plan mellem to lag af krystaller. … Således blev der dannet en slags kvantesuppe, hvor bevægelsen af en hvilken som helst elektron blev bestemt af de ladninger, den følte fra andre elektroner.”Dette er ikke længere individuelle partikler i sig selv,” siger Michael Manfra fra Purdue University.”Forestil dig en ballet, hvor hver danser ikke kun gør sine egne skridt,men reagerer også på bevægelsen af en partner eller andre dansere. Det er lidt af et generelt svar."
Det mærkelige ved alt dette er, at en sådan samling kan have brøkdele. En elektron er en udelelig enhed, den kan ikke skæres i tre dele, men en gruppe elektroner i den ønskede tilstand kan producere en såkaldt kvasepartikel med 1/3 af ladningen. "Det er som om elektroner bliver delt op," siger Mohammed Hafezi, en fysiker ved Joint Quantum Institute. "Det er meget mærkeligt". Hafezi skabte denne effekt i ultrakold grafen, et monatomisk lag af kulstof, og viste for nylig, at han kan manipulere bevægelsen af kvasipartikler ved at belyse grafen med en laser.”Det overvåges nu,” siger han.”Eksterne knuder såsom magnetfelter og lys kan manipuleres, trækkes op eller bundet. Den kollektive forandrings natur ændrer sig."
Quasiparticle manipulation giver dig mulighed for at oprette en speciel type qubit - en topologisk qubit. Topologi er en gren af matematik, der studerer egenskaberne af et objekt, der ikke ændrer sig, selvom objektet er snoet eller deformeret. Et typisk eksempel er en doughnut: hvis den var perfekt elastisk, kunne den omdannes til en kaffekop uden at ændre noget meget; hullet i donut vil spille en ny rolle i hullet i kophåndtaget. For at gøre en doughnut til en kringle skal du dog tilføje nye huller til den og ændre dens topologi.
En topologisk qubit bevarer sine egenskaber selv under skiftende forhold. Normalt ændrer partikler deres kvantetilstande eller "decohere", når noget i deres miljø forstyrres, såsom små vibrationer forårsaget af varme. Men hvis du laver en qubit fra to kvasipartikler adskilt af en vis afstand, siger vi i modsatte ender af en nanotråd, splitter du i det væsentlige en elektron. Begge halvdele skulle opleve den samme overtrædelse for at decohere, hvilket sandsynligvis ikke vil ske.
Denne egenskab gør topologiske qubits attraktive for kvantecomputere. På grund af en quits evne til at være i en superposition af mange stater på samme tid, skal kvantecomputere være i stand til at udføre beregninger, der er praktisk umulige uden dem, for eksempel for at simulere Big Bang. Manfra forsøger i det væsentlige at opbygge kvantecomputere fra topologiske qubits hos Microsoft. Men der er også enklere tilgange. Google og IBM forsøger i det væsentlige at bygge kvantecomputere baseret på superkølede ledninger, der bliver halvledere eller ioniserede atomer i et vakuumkammer, der holdes af lasere. Problemet med disse tilgange er, at de er mere følsomme over for miljømæssige ændringer end topologiske qubits, især hvis antallet af qubits vokser.
Således kan topologiske qubits revolutionere vores evne til at manipulere små ting. Der er dog et væsentligt problem: de findes ikke endnu. Forskere kæmper for at skabe dem fra såkaldte Majorana-partikler. Foreslået af Ettore Majorana i 1937, er denne partikel sin egen antipartikel. Elektronen og dens antipartikel, positronen, har identiske egenskaber bortset fra ladning, men ladningen af Majorana-partiklen vil være nul.
Forskere mener, at visse konfigurationer af elektroner og huller (ingen elektroner) kan opføre sig som Majorana-partikler. De kan igen bruges som topologiske qubits. I 2012 målte fysikeren Leo Kouvenhoven fra Delft University of Technology i Holland og hans kolleger, hvad de troede var Majorana-partikler i et netværk af superledende og halvledende nanotråde. Men den eneste måde at bevise eksistensen af disse kvasipartikler på er at skabe en topologisk qubit baseret på dem.
Andre eksperter på dette område er mere optimistiske.”Jeg tror uden nogen nogen en dag vil skabe en topologisk qubit, bare for sjov,” siger Steve Simon, en teoretiker ved kondenseret sag ved Oxford University. "Det eneste spørgsmål er, om vi kan gøre dem til fremtidens kvantecomputer."
Kvantecomputere - såvel superledere med høj temperatur og ubrydelig kvantekryptering - kan forekomme mange år fra nu eller aldrig. Men på samme tid forsøger forskere at dechiffrere naturens mysterier i mindste skala. Indtil videre ved ingen, hvor langt de kan gå. Jo dybere vi trænger ind i de mindste komponenter i vores univers, jo mere skubber de os ud.
Ilya Khel