24.08.2019 13:13
Мэтт Трусхайм щелкает выключателем в затемненной лаборатории, и интенсивный зеленый лазер освещает крошечный алмаз, закрепленный на месте под объективом микроскопа. На экране компьютера появляется изображение, размытое зеленое облако, усеянное яркими зелеными точками. Светящиеся точки - это цветные центры в алмазе - крошечные дефекты, в которых два атома углерода были заменены одним атомом олова, перемещая свет, проходящий через один оттенок зеленого в другой.
Позже этот алмаз будет охлажден до температуры жидкого гелия. Управляя кристаллической структурой алмаза на атомном уровне, доводя его до нескольких градусов от абсолютного нуля и применяя магнитное поле, исследователи в Лаборатории квантовой фотоники (США) думают, что они могут выбирать квантово-механические свойства фотонов и электронов с такой точностью, что они могут передавать неразрушимые секретные коды.
Трусхайм, исследователь докторской диссертации в лаборатории, является одним из многих ученых, пытающихся выяснить, какие атомы внедрены в какие кристаллы и при каких условиях они будут обеспечивать такой контроль. Действительно, ученые всего мира решают сложную проблему управления природой на уровне атомов и ниже, вплоть до электронов или даже долей электронов. Их цель состоит в том, чтобы найти ручки, которые управляют фундаментальными свойствами вещества и энергии, и повернуть эти ручки, чтобы настроить материю и энергию, создавая сверхмощные квантовые компьютеры или сверхпроводники, которые работают при комнатной температуре.
Инновации в самых больших вопросах науки
Ученые сталкиваются с двумя основными проблемами. На техническом уровне работа чрезвычайно сложна. Например, некоторые кристаллы должны быть очищены до 99,99999999% в вакуумных камерах, более пустых, чем пространство. Более фундаментальная проблема заключается в том, что квантовые эффекты, которые эти исследователи хотят использовать - например, способность частицы находиться в двух состояниях одновременно, как у кота Шредингера, - происходят на уровне отдельных электронов. Здесь, в макромире, магия исчезает. Поэтому исследователи, манипулирующие материей в наименьших масштабах, пытаются заставить природу вести себя так, что она напрягает ограничения, налагаемые фундаментальной физикой. Степень, в которой они преуспеют, поможет определить наше научное понимание и технологический потенциал в предстоящие десятилетия.
Мечта алхимика
Манипулирование материей в значительной степени связано с управлением электронами. В конце концов, поведение электронов в материале определяет его свойства в целом - является ли вещество металлом, изолятором, магнитом или чем-то еще. Некоторые ученые пытаются изменить коллективное поведение электронов для создания так называемых квантово-синтетических материалов. Исследователи предполагают, что «мы можем взять изолятор и превратить его в металл или полупроводник и превратить его в сверхпроводник. Мы можем превратить немагнитный материал в магнитный материал. Это действительно мечта алхимика.»
Мечта может привести к настоящим прорывам. Например, исследователи десятилетиями пытались создать сверхпроводники при комнатной температуре, материалы, которые могли бы привести к инновациям, такие как линии электропередачи, которые не теряют никакой энергии. В 1957 году физики продемонстрировали, что сверхпроводимость возникает, когда свободные электроны в металле, таком как алюминий, объединяются в так называемые пары Купера. Даже если они относительно далеко друг от друга, каждый электрон сопоставляется с другим, который имеет противоположный спин и импульс. Скорее, как пары танцуют на многолюдной дискотеке, движения парных электронов координируются друг с другом, даже если между ними встают другие электроны.
Такое расположение позволяет току проходить через материал без сопротивления и, следовательно, без потерь. Единственные практические сверхпроводники, разработанные до настоящего времени, должны быть охлаждены с точностью до нескольких градусов абсолютного нуля, прежде чем это состояние вступит в силу. Тем не менее, недавно исследователи обнаружили, что удар по материалу с помощью высокоинтенсивного лазера может также выбить электроны из куперовских пар, хотя бы ненадолго. Дэвид Се, физик, создает фотоиндуцированную сверхпроводимость в материале (известном как изолятор Мотта), который становится изоляционным при очень низких температурах. Свет, попадающий на изолятор, возбуждает электроны, заставляя их на короткое время выравниваться. «Тряску нужно делать очень жестоко», - объясняет Се. «На мгновение электрическое поле чрезвычайно сильное, но оно включается только на такое короткое время, что не выделяет столько тепла».
Чтобы лазер не испарял материал, Се ударяет его импульсом, который длится всего десятки или сотни фемтосекунд. (В одной секунде столько же фемтосекунд, сколько секунд в 32 миллионах лет.) К сожалению, вызванная таким образом сверхпроводимость длится недолго. Задача исследователей, занимающихся аналогичной работой, состоит в том, чтобы выяснить, как сделать эффект достаточно долгим, чтобы быть полезным. Се говорит об этом и других исследованиях квантовых материалов: «То, что мы пытаемся сделать, - это придумывать соединения-хозяева, в которых, даже когда вы говорите о большой партии электронов, эта квантово-механическая странность, которая обычно сводится к одному частицы все еще остаются ».
Небьющиеся коды
Контроль над электронами - это также то, как Трусхайм и Энглунд надеются разработать неразрушимое квантовое шифрование. В их случае цель состоит не в том, чтобы изменить свойства материалов, а в том, чтобы поделиться квантовыми свойствами электронов в их искусственных алмазах с фотонами, которые передают криптографический ключ. В цветовых центрах алмазов в лаборатории Энглунда гремят свободные электроны, спины которых можно измерить, зондируя их сильным магнитным полем. Вращение, которое выровнено с полем, можно назвать вращением 1, а вращение, которое не выровнено, является вращением 2 - эквивалентно 1 и 0 цифрового бита. «Это квантовая частица, поэтому она может находиться в обоих состояниях одновременно», - говорит Энглунд. Это делает его квантовым битом или кубитом, способным выполнять несколько вычислений одновременно.
Вот тут и появляется таинственное свойство, известное как квантовая запутанность. Представьте себе коробку, содержащую красный шар и синий шар. Вы можете войти, не глядя, взять один мяч и положить его в карман, а затем путешествовать по городу. Затем вы достаете мяч из кармана и обнаруживаете, что он красный. Это сразу говорит о том, что мяч в коробке синий. Это запутанность. Этот эффект, переведенный в квантовую сферу, может передавать информацию мгновенно и на огромные расстояния.
Центры цвета в алмазах в лаборатории Энглунда передают квантовые состояния электронов, содержащихся в них, в фотоны посредством запутывания, создавая то, что Энглунд называет «летающими кубитами». Как и в стандартной оптической связи, фотон может быть передан в приемник - в в этом случае другая вакансия алмаза - и его квантовое состояние передается новому электрону, поэтому два электрона становятся коррелированными. Передача таких запутанных битов позволяет двум людям совместно использовать криптографический ключ. «У каждого есть строка 0 и 1, или взлеты и падения вращения, которые выглядят локально случайными, но они идентичны», - говорит Энглунд. Использование этого ключа в качестве коэффициента умножения для других отправляемых ими данных позволяет им безопасно общаться. Если бы перехватчик перехватил передачу, отправители знали бы, потому что акт измерения квантового состояния изменяет его.
Энглунд экспериментирует с квантовой сетью, которая посылает фотоны по оптическим волокнам между его лабораторией, помещением в будущем в Гарвардском университете, и другой в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института в соседнем городе Лексингтон, штат Массачусетс. Исследователи уже преуспели в передаче квантово-криптографической информации. ключи на большие расстояния - в 2017 году китайские ученые сообщили о передаче такого ключа со спутника на околоземной орбите на две наземные станции на расстоянии 1200 километров друг от друга в горах Тибета. Но скорость передачи данных китайского эксперимента была слишком низкой для практической коммуникации: исследователи обнаружили только одну запутанную пару из шести миллионов. Инновация, которая сделает наземные квантово-криптографические сети практическими, - это квантовые повторители - устройства, размещенные с интервалами по всей сети, которые усиливают сигнал, не влияя на его квантовые свойства. Цель Энглунда состоит в том, чтобы найти материалы с правильными атомными дефектами, чтобы сформировать сердце этих квантовых ретрансляторов.
Хитрость заключается в том, чтобы сделать достаточно запутанных вращением фотонов для переноса данных. Электрон в азотной вакансии сохраняет свое спиновое состояние в течение длительного времени - около секунды - увеличивая вероятность прохождения лазерного света, чтобы произвести запутанный фотон. Но азот - маленький атом, и он не заполняет пространство, созданное недостающими углеродами. Это несоответствие может привести к тому, что последующие фотоны будут немного отличаться по цвету, поэтому они больше не будут соответствовать друг другу. Другие атомы, такие как олово, плотно прилегают и дают стабильную длину волны. Но эти атомы не удерживают свое вращение так долго - следовательно, работа продолжает находить идеальный баланс.
Секущиеся кончики
В то время как Энглунд и другие борются с отдельными электронами, некоторые ученые еще глубже погружаются в квантовый мир и пытаются манипулировать простыми долями электронов. Эта работа уходит корнями в эксперимент, проведенный в 1982 году, когда ученые из Bell Laboratories и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса связали вместе два слоя различных полупроводниковых кристаллов, охладили их почти до абсолютного нуля и применили сильное магнитное поле, захватывая электроны в плоскости интерфейс между двумя кристаллическими слоями. Эта договоренность создала своего рода квантовый суп, в котором на движение любого данного электрона влияют заряды, которые он чувствует от других электронов. «На самом деле они не являются отдельными частицами», - говорит Майкл Манфра, руководитель группы Quantum Semiconductor Systems Group в Университете Пердью. «Вы можете представить себе балет, в котором каждый танцор не только делает свое дело, но и реагирует на движения своего партнера или других танцоров. Есть такой обобщенный ответ ».
Странная вещь в этой коллекции в том, что она может иметь дробные заряды. Электрон - это неделимая единица - вы не можете нарезать его на трети - но группа электронов в правильном состоянии может произвести так называемую квазичастицу с зарядом 1/3. «Как будто электроны фракционированы», - говорит Мохаммад Хафези, физик из Объединенного квантового института, исследовательского партнерства между Университетом Мэриленда и Национальным институтом стандартов и технологий. «Это очень странно». Хафези создает эффект в переохлажденном графене, листах углерода толщиной в один атом, и он недавно показал, что может манипулировать движением квазичастиц, направляя лазер на графен. «Теперь это управляемо», - говорит он. «Теперь у меня есть внешние регуляторы, такие как магнитное поле и свет, которые можно настраивать вверх и вниз. Так что природа этого коллективного состояния меняется ».
Манипулирование квазичастицами может позволить создать особый вид кубита - топологический кубит. Топология - это область математики, которая изучает свойства объекта, которые не изменяются, даже если этот объект искривлен или деформирован. Стандартный пример - пончик: если бы он был идеально эластичным, вы могли бы преобразовать его в кофейную чашку, не меняя ничего существенного; отверстие для пончика будет играть новую роль в качестве отверстия в ручке чашки. Однако, чтобы сменить пончик на крендель, вам нужно будет проделать в нем новые дыры, изменив его топологию.
Топологический кубит сохраняет свои свойства даже в изменяющихся условиях. Обычно частицы изменяют свои квантовые состояния, или «декогерируют», когда им мешает что-то в их среде, например, крошечная вибрация, вызванная теплом. Но если вы сделаете кубит из двух квазичастиц, разделенных некоторым расстоянием - скажем, на противоположных концах нанопроволоки - вы по существу расщепляете электрон. Обе «половины» должны были бы испытать одно и то же нарушение при декогере, и это вряд ли произойдет случайно.
Это свойство делает топологические кубиты привлекательными для квантовых компьютеров. Из-за способности кубита находиться в суперпозиции многих состояний одновременно, квантовые компьютеры должны быть способны выполнять в противном случае невероятно сложные вычислительные задачи, такие как моделирование физики большого взрыва. Фактически, Manfra является частью глобальных усилий Microsoft по созданию квантовых компьютеров на основе топологических кубитов. Есть и другие, возможно, более простые подходы. Например, Google и IBM ищут квантовые компьютеры на основе переохлажденных проводов, которые превращаются в полупроводники или ионизированные атомы в вакуумной камере, захваченной лазерами. Проблема этих подходов состоит в том, что они более чувствительны к возмущениям окружающей среды, чем топологические кубиты, особенно с ростом числа кубитов.
Поэтому топологические кубиты могут предвещать революцию в нашей способности манипулировать крошечными вещами. Однако есть одна существенная проблема: они еще не существуют. Исследователи пытаются построить их из объекта, называемого майорановской частицей. По предположению Этторе Майораны в 1937 году, эта частица является собственной античастицей. Электрон и его античастица, позитрон, обладают идентичными свойствами, за исключением заряда, но заряд майорановской частицы будет равен нулю.
Ученые считают, что определенные конфигурации электронов и дырок (отсутствие электронов) могут вести себя как майорановские частицы. Они, в свою очередь, могут однажды использоваться как топологические кубиты. В 2012 году физик Лео Коувенховен из Делфтского технологического университета в Нидерландах и его коллеги измерили частицы, кажущиеся майорановскими, в сети из сверхпроводящих и полупроводниковых нанопроводов. Тем не менее, утверждает Санкар Дас Сарма из Центра теории конденсированного состояния в Университете Мэриленда, Колледж-Парк, единственный способ реально доказать, что эти квазичастицы существуют, - это построить из них топологический кубит.
Однако другие эксперты в этой области настроены оптимистично. «Думаю, без каких-либо вопросов, в конце концов кто-то сделает топологический кубит, просто потому, что это интересно, и они поймут, как это сделать», - говорит Стив Саймон, теоретик конденсированного состояния в Оксфордском университете. «Большой вопрос: так ли мы будем строить квантовый компьютер в будущем?»
Квантовым компьютерам - наряду с высокотемпературными сверхпроводниками и неразрушимым квантовым шифрованием - могут быть годы, или они никогда не будут достигнуты. Но тем временем исследователи продолжат борьбу за освоение природы в самых маленьких масштабах. Ученые еще не знают, как низко они могут идти. Они зашли на удивление далеко, но чем дальше они спускаются, тем больше отталкивает природа.
https://www.nature.com/articles/d41586-018-05099-9
https://22century.ru/popular-science-pu ... ing-nature
