Matt Trushheim întoarce comutatorul în laboratorul întunecat și un puternic laser verde luminează un diamant mic ținut în poziție sub un obiectiv de microscop. Pe ecranul computerului apare o imagine, un nor difuz de gaz punctat cu puncte verzi strălucitoare. Aceste puncte strălucitoare sunt mici defecte în interiorul diamantului în care doi atomi de carbon sunt înlocuiți cu un atom de staniu. Lumina laser care trece prin ele trece de la o nuanță de verde la alta.
Mai târziu, acest diamant va fi răcit la temperatura heliului lichid. Controlând structura cristalină a unui atom de diamant cu atom, aducându-l la câteva grade peste zero absolut și aplicând un câmp magnetic, cercetătorii de la Laboratorul de Fotonică Cuantică, condus de fizicianul Dirk Englund de la MIT, cred că pot selecta proprietățile mecanice cuantice ale fotonilor și electronilor cu o astfel de precizie. că vor putea transfera coduri secrete incasabile.
Trushheim este unul dintre mulți oameni de știință care încearcă să-și dea seama ce atomi, cuprinși în cristale, în ce condiții le vor permite să câștige controlul asupra acestui nivel. De fapt, oamenii de știință din întreaga lume încearcă să învețe cum să controleze natura la nivelul atomilor și mai jos, la electroni sau chiar la o fracțiune de electron. Scopul lor este de a găsi nodurile care controlează proprietățile fundamentale ale materiei și energiei și de a strânge sau dezlega aceste noduri schimbând materia și energia, pentru a crea computere cuantice super-puternice sau superconductori care funcționează la temperatura camerei.
Acești oameni de știință se confruntă cu două provocări majore. La nivel tehnic, este foarte dificil să efectuați o astfel de muncă. Unele cristale, de exemplu, trebuie să fie 99,9999999999% pure în camere de vid mai curate decât spațiul. O provocare și mai fundamentală este că efectele cuantice pe care oamenii de știință doresc să le limiteze - de exemplu, capacitatea unei particule de a fi în două stări în același timp, precum pisica lui Schrödinger - apar la nivelul electronilor individuali. În macrocosmos, această magie se prăbușește. În consecință, oamenii de știință trebuie să manipuleze materia la cea mai mică scară și sunt limitați de limitele fizicii fundamentale. Succesul lor va determina modul în care vom schimba înțelegerea noastră despre știință și capacitățile tehnologice în deceniile următoare.
Visul alchimistului
Manipularea materiei, într-o anumită măsură, constă în manipularea electronilor. În cele din urmă, comportamentul electronilor dintr-o substanță determină proprietățile sale ca întreg - această substanță va fi un metal, un conductor, un magnet sau altceva. Unii oameni de știință încearcă să schimbe comportamentul colectiv al electronilor prin crearea unei substanțe cuantice sintetice. Oamenii de știință văd cum „luăm un izolator și îl transformăm într-un metal sau un semiconductor și apoi într-un supraconductor. Putem transforma un material nemagnetic într-unul magnetic”, spune fizicianul Eva Andrew de la Universitatea Rutgers. „Acesta este visul unui alchimist împlinit”.
Iar acest vis poate duce la adevărate descoperiri. De exemplu, oamenii de știință au încercat de zeci de ani să creeze supraconductori care funcționează la temperatura camerei. Cu ajutorul acestor materiale, ar fi posibil să se creeze linii electrice care să nu irosească energie. În 1957, fizicienii John Bardeen, Leon Cooper și John Robert Schrieffer au demonstrat că superconductivitatea apare atunci când electronii liberi dintr-un metal precum aluminiul se aliniază în ceea ce se numește perechi Cooper. Chiar și fiind relativ departe, fiecare electron a corespuns cu altul, cu rotirea și impulsul opuse. La fel ca cuplurile care dansează în mulțime la o discotecă, electronii pereche se mișcă în coordonare cu ceilalți, chiar dacă alți electroni trec între ei.
Video promotional:
Această aliniere permite curentului să curgă prin material fără a întâmpina rezistență și, prin urmare, fără pierderi. Cele mai practice supraconductoare dezvoltate până în prezent trebuie să fie chiar peste zero absolut pentru ca această stare să fie menținută. Cu toate acestea, pot exista excepții.
Recent, cercetătorii au descoperit că bombardarea materialului cu un laser de intensitate ridicată poate, de asemenea, să bată electroni în perechi Cooper, deși pe scurt. Andrea Cavalleri de la Institutul Max Planck pentru Structura și Dinamica Materiei din Hamburg, Germania, și colegii săi au găsit semne de superconductivitate fotoindusă la metale și izolatori. Lumina care lovește materialul face ca atomii să vibreze, iar electronii intră pe scurt într-o stare de supraconductivitate. „Scuturarea trebuie să fie acerbă”, spune David Esie, fizician în materie condensată la California Institute of Technology, care folosește aceeași tehnică laser pentru a manifesta efecte cuantice neobișnuite în alte materiale. „Pentru o clipă, câmpul electric devine foarte puternic - dar doar pentru o scurtă perioadă de timp.”
Coduri incasabile
Controlul electronilor este modul în care Trushheim și Englund și-au propus să dezvolte o criptare cuantică incasabilă. În cazul lor, scopul nu este să schimbe proprietățile materialelor, ci să transfere proprietățile cuantice ale electronilor din diamantele de proiectare către fotoni care transmit chei criptografice. În centrele de culoare ale diamantelor din laboratorul Englund, se află electroni liberi, ale căror rotiri pot fi măsurate folosind un câmp magnetic puternic. O rotire care se aliniază cu câmpul poate fi numită rotire 1, o rotire care nu se aliniază este rotirea 2, care ar fi echivalentă cu 1 și 0 în bitul digital. „Este o particulă cuantică, deci poate fi în ambele stări în același timp”, spune Englund. Un bit cuantic, sau qubit, este capabil să efectueze multe calcule în același timp.
Aici se naște o proprietate misterioasă - încurcarea cuantică. Imaginați-vă o cutie care conține bile roșii și albastre. Poți lua unul fără să te uiți și să-l pui în buzunar, apoi să pleci în alt oraș. Apoi scoate mingea din buzunar și constată că este roșie. Veți înțelege imediat că există o minge albastră în cutie. Aceasta este confuzie. În lumea cuantică, acest efect permite transmiterea informațiilor instantanee și pe distanțe mari.
Centrele colorate din diamant de la laboratorul Englund transmit stările cuantice ale electronilor pe care îi conțin către fotoni prin încurcare, creând „qubits zburători”, așa cum îi numește Englund. În comunicațiile optice convenționale, un foton poate fi transmis către un destinatar - în acest caz, un alt gol vacant într-un diamant - și starea cuantică a acestuia va fi transferată către un nou electron, astfel încât cei doi electroni sunt legați. Transmiterea acestor biți ofensați va permite două persoane să partajeze cheia criptografică. „Fiecare are un șir de zerouri și unii, sau rotiri mari și mici, care par complet aleatorii, dar sunt identice”, spune Englund. Folosind această cheie pentru a cripta datele transmise, le puteți face absolut sigure. Dacă cineva dorește să intercepteze transmisia, expeditorul va ști despre asta,deoarece actul de măsurare a unei stări cuantice o va schimba.
Englund experimentează cu o rețea cuantică care trimite fotoni prin fibră optică prin laboratorul său, un obiect pe drumul de la Universitatea Harvard și un alt laborator MIT din orașul apropiat Lexington. Oamenii de știință au reușit deja să transfere cheile cuantice-criptografice pe distanțe mari - în 2017, oamenii de știință chinezi au raportat că au transferat o astfel de cheie de la un satelit pe orbita Pământului la două stații terestre la 1200 de kilometri distanță, în munții Tibetului. Dar rata de biți a experimentului chinez a fost prea mică pentru comunicări practice: oamenii de știință au înregistrat doar o pereche confuză în șase milioane. O inovație care va face rețelele cuantice criptografice practice pe pământ sunt repetatoarele cuantice, dispozitive plasate la intervale de timp pe rețea care amplifică semnalul,fără a-i modifica proprietățile cuantice. Scopul lui Englund este de a găsi materiale cu defecte atomice adecvate, astfel încât aceste repetatoare cuantice să poată fi create din ele.
Trucul este să creezi suficient de mulți fotoni încurcați pentru a transporta datele. Un electron dintr-un loc vacant substituit cu azot își menține spinul suficient de mult - aproximativ o secundă - ceea ce crește șansele ca lumina laser să treacă prin el și să producă un foton încurcat. Dar atomul de azot este mic și nu umple spațiul creat de absența carbonului. Prin urmare, fotonii succesivi pot avea culori ușor diferite, ceea ce înseamnă că își vor pierde corespondența. Alți atomi, staniu, de exemplu, aderă strâns și creează o lungime de undă stabilă. Dar nu vor putea ține rotirea suficient de mult - prin urmare, se lucrează pentru a găsi echilibrul perfect.
Varfuri despicate
În timp ce Englund și alții încearcă să facă față electronilor individuali, alții se scufundă mai adânc în lumea cuantică și încearcă să manipuleze fracția electronilor. Această lucrare este înrădăcinată într-un experiment în 1982, când oamenii de știință de la Laboratorul Bell și Laboratorul Național Lawrence Livermore au pregătit două straturi de cristale semiconductoare diferite, le-au răcit până aproape de zero absolut și le-au aplicat un câmp magnetic puternic, prinzând electronii într-un plan între două straturi de cristale. … Astfel, s-a format un fel de supă cuantică în care mișcarea oricărui electron individual a fost determinată de sarcinile pe care le-a simțit de la alți electroni. „Acestea nu mai sunt particule individuale în sine”, spune Michael Manfra de la Universitatea Purdue. „Imaginați-vă un balet în care fiecare dansator nu numai că își face propriii pași,dar reacționează și la mișcarea unui partener sau a altor dansatori. Este un fel de răspuns general.
Ciudat este că o astfel de colecție poate avea sarcini fracționate. Un electron este o unitate indivizibilă, nu poate fi tăiat în trei părți, dar un grup de electroni în starea dorită poate produce așa-numita cvasiparticulă cu 1/3 din sarcină. „Este ca și cum s-ar împărți electronii”, spune Mohammed Hafezi, fizician la Joint Quantum Institute. „Este foarte ciudat”. Hafezi a creat acest efect în grafenul ultracold, un strat monatomic de carbon și a arătat recent că poate manipula mișcarea cvasiparticulelor prin iluminarea grafenului cu un laser. „Acum este monitorizat”, spune el. „Nodulii externi, cum ar fi câmpurile magnetice și lumina, pot fi manipulate, trase în sus sau nelegate. Natura schimbării colective se schimbă."
Manipularea cvasiparticulelor vă permite să creați un tip special de qubit - un qubit topologic. Topologia este o ramură a matematicii care studiază proprietățile unui obiect care nu se schimbă chiar dacă acel obiect este răsucit sau deformat. Un exemplu tipic este o gogoașă: dacă ar fi perfect elastică, ar putea fi remodelată într-o ceașcă de cafea fără a schimba nimic mult; gaura din gogoașă va juca un rol nou în gaura din mânerul cupei. Cu toate acestea, pentru a transforma o gogoașă într-un covrig, va trebui să îi adăugați noi găuri, schimbându-i topologia.
Un qubit topologic își păstrează proprietățile chiar și în condiții de schimbare. De obicei, particulele își schimbă stările cuantice, sau „decohere”, atunci când ceva din mediul lor este deranjat, cum ar fi vibrațiile mici cauzate de căldură. Dar dacă faceți un qubit din două cvasiparticule separate la o anumită distanță, să zicem, la capetele opuse ale unui nanofir, în esență împărțiți un electron. Ambele jumătăți ar trebui să experimenteze aceeași încălcare pentru a decohere, ceea ce este puțin probabil să se întâmple.
Această proprietate face ca qubiturile topologice să fie atractive pentru computerele cuantice. Datorită capacității unui qubit de a se suprapune în mai multe stări în același timp, computerele cuantice trebuie să fie capabile să efectueze calcule care sunt practic imposibile fără ca acestea, de exemplu, să simuleze Big Bang Manfra încearcă în esență să construiască computere cuantice din qubituri topologice de la Microsoft. Dar există și abordări mai simple. Google și IBM încearcă în esență să construiască computere cuantice bazate pe fire supraîncălzite care devin semiconductori sau atomi ionizați într-o cameră de vid deținută de lasere. Problema cu aceste abordări este că acestea sunt mai sensibile la schimbările de mediu decât qubiturile topologice, mai ales dacă numărul de qubituri crește.
Astfel, qubiturile topologice ne pot revoluționa capacitatea de a manipula lucruri minuscule. Cu toate acestea, există o problemă semnificativă: ele nu există încă. Cercetătorii se luptă să le creeze din așa-numitele particule Majorana. Propusă de Ettore Majorana în 1937, această particulă este propria sa antiparticulă. Electronul și antiparticulele sale, pozitronul, au proprietăți identice, în afară de sarcină, dar sarcina particulei Majorana va fi zero.
Oamenii de știință cred că anumite configurații de electroni și găuri (fără electroni) se pot comporta ca niște particule Majorana. La rândul lor, ele pot fi folosite ca qubits topologice. În 2012, fizicianul Leo Kouvenhoven de la Universitatea de Tehnologie Delft din Olanda și colegii săi au măsurat ceea ce credeau că sunt particule Majorana într-o rețea de nanofire supraconductoare și semiconductoare. Dar singura modalitate de a demonstra existența acestor cvasiparticule este de a crea un qubit topologic bazat pe ele.
Alți experți în acest domeniu sunt mai optimiști. „Cred că fără nicio întrebare cineva va crea într-o zi un qubit topologic, doar pentru distracție”, spune Steve Simon, un teoretician al materiei condensate la Universitatea Oxford. „Singura întrebare este dacă putem face din ele computerul cuantic al viitorului”.
Calculatoarele cuantice - precum și supraconductorii cu temperatură înaltă și criptarea cuantică incasabilă - pot apărea sau nu peste mulți ani de acum înainte. Dar, în același timp, oamenii de știință încearcă să descifreze misterele naturii la cea mai mică scară. Până acum, nimeni nu știe cât de departe poate ajunge. Cu cât pătrundem mai adânc în cele mai mici componente ale universului nostru, cu atât mai mult ne împing afară.
Ilya Khel
