Matt Trushheim vänder omkopplaren i det mörka laboratoriet, och en kraftfull grön laser lyser upp en liten diamant som hålls på plats under ett mikroskopobjektiv. En bild visas på datorskärmen, ett diffust gasmoln prickat med ljusgröna prickar. Dessa glödande prickar är små defekter inuti diamanten, där två kolatomer ersätts med en tennatom. Laserljus som passerar dem passerar från en grön nyans till en annan.
Senare kommer denna diamant att kylas till flytande heliumstemperatur. Genom att kontrollera kristallstrukturen hos en diamantatom för atom, föra den till några grader över absolut noll och använda ett magnetfält, tror forskare vid Quantum Photonics Laboratory, ledd av fysikern Dirk Englund vid MIT, att de kan välja kvantmekaniska egenskaper hos fotoner och elektroner med sådan precision. att de kommer att kunna överföra okrossbara hemliga koder.
Trushheim är en av många forskare som försöker ta reda på vilka atomer, inneslutna i kristaller, under vilka förhållanden som gör att de kan få kontroll över denna nivå. Faktum är att forskare runt om i världen försöker lära sig att styra naturen på atomenivån och därunder, till elektroner eller till och med en bråkdel av en elektron. Deras mål är att hitta de knutar som styr materiens och energins grundläggande egenskaper, och dra åt eller lösa ut dessa knutar genom att ändra materia och energi, för att skapa superkraftiga kvantdatorer eller superledare som arbetar vid rumstemperatur.
Dessa forskare står inför två stora utmaningar. På teknisk nivå är det mycket svårt att utföra sådant arbete. Vissa kristaller måste till exempel vara 99,99999999% rena i vakuumkammare renare än rymden. En ännu mer grundläggande utmaning är att de kvanteffekter som forskare vill begränsa - till exempel en partikels förmåga att vara i två tillstånd samtidigt, liksom Schrödingers katt - uppträder på nivån för individuella elektroner. I makrokosmos kollapsar denna magi. Följaktligen måste forskare manipulera materia i minsta skala, och de är begränsade av gränserna för grundläggande fysik. Deras framgång kommer att avgöra hur vår förståelse för vetenskap och teknisk kapacitet kommer att förändras under de kommande decennierna.
Alchemists dröm
Manipulering av materia består till viss del av manipulering av elektroner. I slutändan bestämmer beteendet hos elektroner i ett ämne dess egenskaper som helhet - det här ämnet kommer att vara en metall, en ledare, en magnet eller något annat. Vissa forskare försöker förändra elektronernas kollektiva beteende genom att skapa en kvantsyntetisk substans. Forskare ser hur”vi tar en isolator och gör den till en metall eller en halvledare och sedan till en superledare. Vi kan förvandla ett icke-magnetiskt material till ett magnetiskt, säger fysiker Eva Andrew från Rutgers University. "Det här är en alkemists dröm som går i uppfyllelse."
Och den här drömmen kan leda till verkliga genombrott. Till exempel har forskare i årtionden försökt skapa superledare som fungerar vid rumstemperatur. Med hjälp av dessa material skulle det vara möjligt att skapa kraftledningar som inte slösar bort energi. 1957 visade fysikerna John Bardeen, Leon Cooper och John Robert Schrieffer att supraledning uppstår när fria elektroner i en metall som aluminium ligger i linje med vad som kallas Cooper-par. Även om de var relativt långt borta, motsvarade varje elektron en annan, med motsatt snurrning och fart. Liksom par som dansar i en folkmassa på ett diskotek, rör sig parade elektroner i samordning med andra, även om andra elektroner passerar mellan dem.
Kampanjvideo:
Denna inriktning tillåter ström att strömma genom materialet utan att stöta på motstånd, och därför utan förlust. De mest praktiska superledarna som hittills utvecklats måste vara precis över absolut noll för att detta tillstånd ska kunna upprätthållas. Det kan dock finnas undantag.
Nyligen har forskare funnit att bombning av material med en laser med hög intensitet också kan slå elektroner i Cooper-par, om än kort. Andrea Cavalleri från Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg, Tyskland, och hans kollegor har hittat tecken på fotoinducerad supraledning i metaller och isolatorer. Ljuset som träffar materialet får atomerna att vibrera och elektronerna går kort in i ett tillstånd av supraledning. "Shake-up måste vara hård", säger David Esie, en kondenserad fysiker vid California Institute of Technology, som använder samma laserteknik för att visa ovanliga kvanteffekter i andra material. "För ett ögonblick blir det elektriska fältet väldigt starkt - men bara för en kort tid."
Obrytbara koder
Styrande elektroner är hur Trushheim och Englund planerar att utveckla obrytbar kvantkryptering. I deras fall är målet inte att ändra egenskaperna hos material utan att överföra elektronernas kvantegenskaper i designerdiamanter till fotoner som överför kryptografiska nycklar. Diamanternas färgcentra i Englunds laboratorium innehåller fria elektroner, vars snurr kan mätas med ett starkt magnetfält. En snurrning som passar in i fältet kan kallas snurrning 1, en snurrning som inte justerar är snurrning 2, vilket motsvarar 1 och 0 i den digitala biten. "Det är en kvantpartikel, så det kan vara i båda tillstånden samtidigt", säger Englund. En kvantbit, eller qubit, kan utföra många beräkningar samtidigt.
Det är här en mystisk egenskap föds - kvantförtrassling. Föreställ dig en låda med röda och blå bollar. Du kan ta en utan att titta och lägga den i fickan och sedan åka till en annan stad. Ta sedan bollen ur fickan och upptäck att den är röd. Du förstår omedelbart att det finns en blå boll i rutan. Detta är förvirring. I kvantvärlden tillåter denna effekt information att överföras direkt och över långa avstånd.
De färgade centra i diamanten vid Englunds laboratorium överför kvanttillstånden för elektronerna som de innehåller till fotoner genom hoptrassling, vilket skapar "flygande qubits", som Englund kallar dem. I konventionell optisk kommunikation kan en foton överföras till mottagaren - i detta fall ett annat tomt tomrum i diamanten - och dess kvanttillstånd kommer att överföras till en ny elektron, så de två elektronerna är bundna. Genom att sända dessa fördunklade bitar kan två personer dela den kryptografiska nyckeln. "Var och en har en rad nollor och enor, eller höga och låga snurr, som verkar helt slumpmässiga, men de är identiska", säger Englund. Genom att använda denna nyckel för att kryptera överförda data kan du göra dem helt säkra. Om någon vill fånga överföringen kommer avsändaren att veta om den,eftersom mätningen av ett kvanttillstånd kommer att förändra den.
Englund experimenterar med ett kvantnätverk som skickar fotoner ned optisk fiber genom sitt laboratorium, ett objekt på vägen vid Harvard University och ett annat MIT-laboratorium i den närliggande staden Lexington. Forskare har redan lyckats överföra kvantkryptografiska nycklar över långa avstånd - under 2017 rapporterade kinesiska forskare att de hade överfört en sådan nyckel från en satellit i jordbanan till två markstationer med 1200 kilometer mellanrum i bergen i Tibet. Men det kinesiska experimentets bithastighet var för låg för praktisk kommunikation: forskare spelade bara in ett förvirrande par på sex miljoner. En innovation som kommer att göra kryptografiska kvantnätverk på jorden praktiska är kvantförstärkare, enheter placerade med intervall i nätverket som förstärker signalen,utan att ändra dess kvantegenskaper. Englunds mål är att hitta material med lämpliga atomdefekter så att dessa kvantförstärkare kan skapas från dem.
Tricket är att skapa tillräckligt intrasslade fotoner för att bära data. En elektron i en kvävesubstituerad vakans behåller sin snurrning tillräckligt länge - ungefär en sekund - vilket ökar chanserna att laserljus passerar genom den och producerar en intrasslad foton. Men kväveatomen är liten och fyller inte utrymmet som skapas av frånvaron av kol. Därför kan efterföljande fotoner ha lite olika färger, vilket innebär att de kommer att förlora sin korrespondens. Andra atomer, tenn, fäster till exempel tätt och skapar en stabil våglängd. Men de kommer inte att kunna hålla snurren tillräckligt länge - därför pågår arbete för att hitta den perfekta balansen.
Kluvna toppar
Medan Englund och andra försöker klara enskilda elektroner, dyker andra djupare in i kvantvärlden och försöker manipulera elektronens bråk. Detta arbete är förankrat i ett experiment 1982, när forskare vid Bell Laboratories och Lawrence Livermore National Laboratories klämde ihop två lager av olika halvledarkristaller, kylte dem till nästan absolut noll och applicerade ett starkt magnetfält på dem och fångade elektroner i ett plan mellan två lager av kristaller. … Således bildades ett slags kvantesoppa där rörelsen för varje enskild elektron bestämdes av de laddningar som den kände från andra elektroner. "Det här är inte längre enskilda partiklar i sig själva", säger Michael Manfra från Purdue University.”Tänk dig en balett där varje dansare inte bara gör sina egna steg,men reagerar också på rörelsen hos en partner eller andra dansare. Det är typiskt ett allmänt svar."
Det konstiga med allt detta är att en sådan samling kan ha bråkdelar. En elektron är en odelbar enhet, den kan inte skäras i tre delar, men en grupp elektroner i önskat tillstånd kan producera en så kallad kvasipartikel med 1/3 av laddningen. "Det är som att elektroner delas upp", säger Mohammed Hafezi, en fysiker vid Joint Quantum Institute. "Det är väldigt konstigt". Hafezi skapade denna effekt i ultrakold grafen, ett monatomiskt kolskikt, och visade nyligen att han kan manipulera rörelsen hos kvasipartiklar genom att belysa grafen med en laser. "Det övervakas nu", säger han.”Externa knölar som magnetfält och ljus kan manipuleras, dras upp eller obundna. Arten av kollektiv förändring förändras."
Med Quasiparticle-manipulation kan du skapa en speciell typ av qubit - en topologisk qubit. Topologi är en gren av matematiken som studerar egenskaperna hos ett objekt som inte förändras även om det är vridet eller deformerat. Ett typiskt exempel är en munk: om den var helt elastisk, kunde den omformas till en kaffekopp utan att ändra något mycket; hålet i munken kommer att spela en ny roll i hålet i kopphandtaget. För att förvandla en munk till en kringla måste du dock lägga till nya hål i den och ändra topologin.
En topologisk qubit behåller sina egenskaper även under förändrade förhållanden. Vanligtvis ändrar partiklar sina kvanttillstånd eller "decohere" när något i deras omgivning störs, såsom små vibrationer orsakade av värme. Men om du gör en qubit från två kvasipartiklar åtskilda av något avstånd, säg, i motsatta ändar av en nanotråd, delar du i huvudsak en elektron. Båda halvorna skulle behöva uppleva samma kränkning för att decohere, vilket sannolikt inte kommer att hända.
Denna egenskap gör topologiska qubits attraktiva för kvantdatorer. På grund av en qubits förmåga att vara i en superposition av många stater samtidigt måste kvantdatorer kunna utföra beräkningar som är praktiskt taget omöjliga utan dem, till exempel för att simulera Big Bang. Manfra försöker i huvudsak bygga kvantdatorer från topologiska qubits hos Microsoft. Men det finns också enklare metoder. Google och IBM försöker i huvudsak att bygga kvantdatorer från superkylda ledningar som blir halvledare eller joniserade atomer i en vakuumkammare som hålls samman av lasrar. Problemet med dessa tillvägagångssätt är att de är mer känsliga för miljöförändringar än topologiska qubits, särskilt om antalet qubits växer.
Således kan topologiska qubits revolutionera vår förmåga att manipulera små saker. Det finns dock ett stort problem: de finns inte ännu. Forskare kämpar för att skapa dem från så kallade Majorana-partiklar. Föreslagen av Ettore Majorana 1937 är denna partikel sin egen antipartikel. Elektronen och dess antipartikel, positronen, har identiska egenskaper, förutom laddning, men laddningen för Majorana-partikeln kommer att vara noll.
Forskare tror att vissa konfigurationer av elektroner och hål (inga elektroner) kan bete sig som Majorana-partiklar. De kan i sin tur användas som topologiska qubits. År 2012 mätte fysikern Leo Kouvenhoven från Delft University of Technology i Nederländerna och hans kollegor vad de trodde var Majorana-partiklar i ett nätverk av supraledande och halvledande nanotrådar. Men det enda sättet att bevisa förekomsten av dessa kvasipartiklar är att skapa en topologisk qubit baserad på dem.
Andra experter inom detta område är mer optimistiska. "Jag tror att utan några frågor någon kommer att skapa en topologisk qubit, bara för skojs skull", säger Steve Simon, en teoretiker för kondens vid Oxford University. "Den enda frågan är om vi kan göra dem till framtidens kvantdator."
Kvantdatorer - liksom supraledare med hög temperatur och obrytbar kvantkryptering - kanske eller kanske inte visas många år framöver. Men samtidigt försöker forskare dechiffrera naturens mysterier i minsta skala. Hittills vet ingen hur långt de kan gå. Ju djupare vi tränger in i de minsta komponenterna i vårt universum, desto mer skjuter de ut oss.
Ilya Khel
