Hi-Tech

Насколько сложно покорить квантовую природу вещества?

На экране компьютера появляется изображение, диффузное газовое облако, усеянное яркими зелеными точками. Мэтт Трушейм включает рубильник в темной лаборатории, и мощный зеленый лазер подсвечивает крошечный алмаз, удерживаемый на месте под объективом микроскопа. Свет лазера, проходя через них, переходит из одного оттенка зеленого в другой. Эти светящиеся точки — крошечные дефекты внутри алмаза, в которых два атома углерода заменены одним атомом олова.

Контролируя кристаллическую структуру алмаза атом за атомом, доводя его до нескольких градусов выше абсолютного нуля и применяя магнитное поле, исследователи из Лаборатории квантовой фотоники под руководством физика Дирка Энглунда в Массачусетском технологическом институте думают, что могут с такой точностью выбрать квантово-механические свойства фотонов и электронов, что им удастся передать невзламываемые секретные коды. Позже этот алмаз будет охлажден до температуры жидкого гелия.

По сути, ученые по всему миру пытаются научиться управлять природой на уровне атомов и ниже, до электронов или даже доли электрона. Трушейм — один из множества ученых, которые пытаются выяснить, какие атомы, заключенные в кристаллах, при каких условиях позволят им получить контроль такого уровня. Их цель — найти узлы, которые контролируют фундаментальные свойства вещества и энергии, и затянуть или распутать эти узлы, изменив вещество и энергию, создать сверхмощные квантовые компьютеры или сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

На техническом уровне проводить такие работы очень сложно. Эти ученые сталкиваются с двумя основными проблемами. Еще более фундаментальная задача в том, что квантовые эффекты, которые хотят обуздать ученые, — например, способность частицы находиться в двух состояниях одновременно, подобно коту Шрёдингера — проявляются на уровне отдельных электронов. Некоторые кристаллы, например, должны быть на 99,99999999% чистыми в вакуумных камерах чище космоса. Следовательно, ученым приходится манипулировать веществом в мельчайших масштабах, и они ограничены пределами фундаментальной физики. В макромире эта магия рушится. От их успеха зависит, как изменится наше понимание науки и технологических возможностей в грядущие десятилетия.

Мечта алхимика

В конце концов, поведение электронов в веществе определяет его свойства в целом — будет это вещество металлом, проводником, магнитом или чем-нибудь еще. Манипулирование веществом, до определенной степени, состоит в управлении электронами. Ученые видят, как «мы берем изолятор и превращаем его в металл или полупроводник, а затем в сверхпроводник. Некоторые ученые пытаются изменить коллективное поведение электронов, создав квантовое синтетическое вещество. «Это исполнение мечты алхимика». Мы можем превратить немагнитный материал в магнитный», говорит физик Ева Андрей из Университета Рутгерса.

К примеру, ученые на протяжении десятилетий пытались создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. И эта мечта может привести к настоящим прорывам. В 1957 году физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер продемонстрировали, что сверхпроводимость появляется, когда свободные электроны в металле вроде алюминия выравниваются в так называемые пары Купера. С помощью этих материалов можно было бы создавать линии электропередач, не теряющие энергию. Словно пары, танцующие в толпе на дискотеке, спаренные электроны двигаются в координации с другими, даже если другие электроны проходят между ними. Даже находясь относительно далеко, каждый электрон соответствовал другому, обладающему противоположным спином и импульсом.

Самые практичные сверхпроводники, разработанные к нынешнему моменту, должны быть при температуре чуть выше абсолютного нуля, чтобы это состояние сохранялось. Это выравнивание позволяет току течь через материал, не встречая сопротивления, а значит, и без потерь. Впрочем, исключения могут быть.

Андреа Каваллери из Института строения и динамики материи Макса Планка в Гамбурге, Германия, и его коллеги обнаружили признаки фотоиндуцированной сверхпроводимости в металлах и изоляторах. В последнее время исследователи обнаружили, что обстреливание материала высокоинтенсивным лазером также может сбивать электроны в куперовские пары, пусть и ненадолго. «Встряска должна быть ожесточенной», говорит Дэвид Эси, физик конденсированных веществ в Калифорнийском технологическом институте, который использует такую же лазерную технику для проявления необычных квантовых эффектов в других материалах. Свет, поражая материал, заставляет атомы вибрировать, и электроны ненадолго входят в состояние сверхпроводимости. «На мгновение электрическое поле становится очень сильным — но только на короткое время».

Невзламываемые коды

В их случае цель не в том, чтобы менять свойства материалов, но передавать квантовые свойства электронов в дизайнерских алмазах фотонам, которые передают криптографические ключи. Управление электронами — вот как Трушейм и Энглунд намереваются разработать невзламываемое квантовое шифрование. Спин, который выравнивается с полем, можно назвать спином 1, спин, который не выравнивается, — спином 2, что будет эквивалентно 1 и 0 в цифровом бите. В цветовых центрах алмазах в лаборатории Энглунда расположены свободные электроны, спины которых можно измерить при помощи сильного магнитного поля. Квантовый бит, или кубит, способен производить множество вычислений одновременно. «Это квантовая частица, поэтому она может быть в обоих состояниях одновременно», говорит Энглунд.

Представьте себе коробку, содержащую красный и синий шарики. Именно здесь рождается загадочное свойство — квантовая запутанность. Затем вынуть шарик из кармана и обнаружить, что он красный. Вы можете взять один не глядя и сунуть в карман, а затем уехать в другой город. Это запутанность. Вы сразу поймете, что в коробке остался синий шарик. В квантовом мире этот эффект позволяет передавать информацию мгновенно и на большие расстояния.

В обычных оптических коммуникациях фотон можно передать получателю — в данном случае другой вакантной пустоте в алмазе — и его квантовое состояние будет передано новому электрону, поэтому два электрона будут связаны. Цветные центры в алмазе в лаборатории Энглунда передают квантовые состояния электронов, заключенных в них, фотонам при помощи запутанности, создавая «летающие кубиты», как их называет Энглунд. «У каждого есть строка нулей и единиц, или верхних и нижних спинов, которые кажутся совершенно случайными, но они идентичны», говорит Энглунд. Передача таких запутанных битов позволит двум людям разделить криптографический ключ. Если кто-то захочет перехватить передачу, отправитель будет об этом знать, поскольку акт измерения квантового состояния изменит ее. Используя этот ключ для шифрования передаваемых данных, можно сделать их абсолютно защищенными.

Ученые уже преуспели в передаче квантово-криптографических ключей на большие расстояния — в 2017 году китайские ученые сообщили, что передали такой ключ со спутника на орбите Земли на две наземные станции в 1200 километрах друг от друга на горах Тибета. Энглунд экспериментирует с квантовой сетью, которая посылает фотоны по оптоволокну через его лабораторию, объект ниже по дороге в Гарвардском университете и другую лабораторию Массачусетского технологического института в соседнем городе Лексингтон. Инновация, которая сделает криптографические квантовые сети на земле практичными, — это квантовые повторители, устройства, размещенные с интервалами в сети, которые усиливают сигнал, не меняя его квантовых свойств. Но битрейт китайского эксперимента был слишком низким для практических коммуникаций: ученые зафиксировали только одну запутанную пару из шести миллионов. Цель Энглунда — найти материалы с подходящими атомными дефектами, чтобы из них можно было создать эти квантовые повторители.

Электрон в азотозамещенной вакансии поддерживает свой спин достаточно долго — около секунды — что увеличивает шансы на то, что свет лазера пройдет через него и произведет запутанный фотон. Трюк в том, чтобы создать достаточно запутанных фотонов для переноса данных. Поэтому последовательные фотоны могут быть слегка разных цветов, а значит, и потеряют соответствие. Но атом азота маленький и не заполняет пространство, созданное отсутствием углерода. Но они не смогут удерживать спин достаточно долго — следовательно, ведется работа по поиску идеального равновесия. Другие атомы, олово, например, прилегают плотно и создают стабильную длину волны.

Рассеченные концы

Эта работа уходит корнями в эксперимент 1982 года, когда ученые из Лаборатории Белла и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора сделали сэндвич из двух слоев разных полупроводниковых кристаллов, охладили их почти до абсолютного нуля и применили к ним сильное магнитное поле, заточив электроны в плоскости между двумя слоями кристаллов. Пока Энглунд и другие пытаются совладать с отдельными электронами, другие ныряют еще глубже в квантовый мир и пытаются манипулировать уже долями электронов. «Это уже не отдельные частицы сами по себе», говорит Майкл Манфра из Университета Пердью. Так сформировался своего рода квантовый бульон, в котором движение любого отдельного электрона определялось зарядами, которые он ощущал от других электронов. Это в некотором роде общий ответ». «Вообразите себе балет, в котором каждый танцор не только делает собственные па, но и реагирует на движение партнера или других танцоров.

Электрон — это неделимая единица, ее не разрежешь на три части, но группа электронов в нужном состоянии может произвести так называемую квазичастицу с 1/3 заряда. Странно во всем этом то, что у такой коллекции могут быть дробные заряды. «Это очень странно». «Будто электроны делятся на части», говорит Мохаммед Хафези, физик из Joint Quantum Institute. «Теперь это контролируется», говорит он. Хафези создал этот эффект в сверххолодном графене, одноатомном слое углерода, и недавно показал, что может манипулировать движением квазичастиц, подсвечивая графен лазером. Меняется природа коллективных изменений». «Внешними узелками, такими как магнитным полем и светом, можно управлять, подтягивать или распускать.

Топология — это область математики, изучающая свойства объекта, которые не меняются, даже если этот объект скручивается или деформируется. Манипуляции с квазичастицами позволяют создать особый тип кубита — топологический кубит. Однако, чтобы превратить пончик в крендель, придется добавить ему новых дыр, меняя его топологию. Стандартный пример — пончик: если бы он был идеально эластичным, его можно было бы переформировать в кофейную чашку, ничего особо не меняя; дырка в пончике будет играть новую роль в отверстии в ручке чашки.

Обычно частицы меняют свои квантовые состояния, или «декогерируют», когда нарушается что-то в их окружении, вроде небольших вибраций, вызванных теплом. Топологический кубит сохраняет свои свойства даже при изменяющихся условиях. Обе «половинки» должны будут испытать одно и то же нарушение, чтобы декогерировать, а такое маловероятно, что произойдет. Но если вы сделаете кубит из двух квазичастиц, разделенных некоторым расстоянием, скажем, на противоположных концах нанопроволоки, вы по сути расщепите электрон.

Из-за способности кубита быть в суперпозиции множества состояний одновременно, квантовые компьютеры должны быть способными производить практически невозможные без них вычисления, например, моделировать Большой Взрыв. Это свойство делает топологические кубиты привлекательными для квантовых компьютеров. Но есть и более простые подходы. Манфра, по сути, пытается создать квантовые компьютеры из топологических кубитов в Microsoft. Проблема таких подходов в том, что они в большей степени чувствительны к изменениям окружающей среды, чем топологические кубиты, особенно если число кубитов растет. Google и IBM, по сути, пытаются создать квантовые компьютеры на основе переохлажденных проводов, которые становятся полупроводниками, или ионизированных атомов в вакуумной камере, удерживаемых лазерами.

Однако есть одна существенная проблема: их пока не существует. Таким образом, топологические кубиты могут привести к революции в нашей способности манипулировать крошечными вещами. Предложенная Этторе Майораной в 1937 году, эта частица является сама себе античастицей. Исследователи изо всех сил пытаются создать их из так называемых майорановских частиц. Электрон и его античастица, позитрон, имеют идентичные свойства, кроме заряда, но заряд майорановской частицы будет равен нулю.

Их, в свою очередь, можно использовать в качестве топологических кубитов. Ученые полагают, что определенные конфигурации электронов и дырок (отсутствие электронов) могут вести себя как майорановские частицы. Но единственным способом доказать существовать этих квазичастиц будет создание топологического кубита на их основе. В 2012 году физик Лео Коувенховен из Технологического университета Делфта в Нидерландах и его коллеги измерили то, что показалось им майорановскими частицами в сети сверхпроводниковых и полупроводниковых нанопроводов.

«Думаю, что без каких-либо вопросов кто-то однажды создаст топологический кубит, просто ради интереса», говорит Стив Саймон, теоретик конденсированных веществ в Оксфордском университете. Другие эксперты в этой области настроены более оптимистично. «Вопрос лишь в том, сможем ли мы сделать из них квантовый компьютер будущего».

Но в то же время ученые пытаются расшифровать загадки природы в мельчайших масштабах. Квантовые компьютеры — равно как и высокотемпературные сверхпроводники и невзламываемое квантовое шифрование — могут появиться через много лет или не появиться никогда. Чем глубже мы проникаем в мельчайшие составляющие нашей Вселенной, тем сильнее они нас выталкивают. Пока никто не знает, насколько далеко удастся зайти.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть