Matt Trushheim membuka suis di makmal gelap, dan laser hijau yang kuat menerangi berlian kecil yang diletakkan di bawah objektif mikroskop. Gambar muncul di skrin komputer, awan gas yang tersebar dihiasi dengan titik hijau terang. Titik bercahaya ini adalah cacat kecil di dalam berlian di mana dua atom karbon digantikan oleh satu atom timah. Lampu laser yang melaluinya melintasi dari satu warna hijau ke yang lain.
Kemudian, berlian ini akan disejukkan ke suhu helium cair. Dengan mengawal struktur kristal atom berlian dengan atom, membawanya ke beberapa darjah di atas sifar mutlak dan menggunakan medan magnet, para penyelidik di Quantum Photonics Laboratory, yang diketuai oleh ahli fizik Dirk Englund di MIT, berpendapat bahawa mereka dapat memilih sifat mekanik kuantum foton dan elektron dengan tepat. bahawa mereka akan dapat memindahkan kod rahsia yang tidak dapat dipecahkan.
Trushheim adalah salah satu daripada banyak saintis yang berusaha mengetahui atom mana, yang terkurung dalam kristal, dalam keadaan apa yang membolehkan mereka menguasai tahap ini. Sebenarnya, saintis di seluruh dunia berusaha untuk belajar bagaimana mengawal alam pada tahap atom dan di bawahnya, ke elektron atau bahkan sebahagian elektron. Matlamat mereka adalah untuk mencari simpul yang mengawal sifat asas jirim dan tenaga, dan mengetatkan atau melepaskan simpul ini dengan mengubah jirim dan tenaga, untuk membuat komputer kuantum superkonduktor yang berfungsi pada suhu bilik.
Para saintis ini menghadapi dua cabaran utama. Pada peringkat teknikal, sangat sukar untuk melaksanakan pekerjaan tersebut. Sebilangan kristal, misalnya, mestilah 99.99999999% tulen di ruang vakum lebih bersih daripada ruang. Cabaran yang lebih mendasar ialah kesan kuantum yang ingin dibendung oleh saintis - misalnya, keupayaan zarah berada di dua keadaan pada masa yang sama, seperti kucing Schröderer - muncul pada tahap elektron individu. Dalam makrokosmos, sihir ini runtuh. Akibatnya, saintis harus memanipulasi bahan pada skala terkecil, dan mereka dibatasi oleh batasan fizik asas. Kejayaan mereka akan menentukan bagaimana pemahaman kita mengenai keupayaan sains dan teknologi akan berubah dalam beberapa dekad akan datang.
Impian alkimia
Manipulasi bahan, hingga tahap tertentu, terdiri dalam memanipulasi elektron. Pada akhirnya, tingkah laku elektron dalam suatu zat menentukan sifatnya secara keseluruhan - bahan ini akan menjadi logam, konduktor, magnet atau sesuatu yang lain. Sebilangan saintis berusaha mengubah tingkah laku elektron kolektif dengan mencipta bahan sintetik kuantum. Para saintis melihat bagaimana "kita mengambil penebat dan mengubahnya menjadi logam atau semikonduktor dan kemudian menjadi superkonduktor. Kita boleh mengubah bahan bukan magnet menjadi bahan magnet,”kata ahli fizik Eva Andrew dari Rutgers University. "Ini adalah impian alkemis yang menjadi kenyataan."
Dan impian ini boleh membawa kejayaan besar. Sebagai contoh, saintis telah berusaha selama beberapa dekad untuk mencipta superkonduktor yang berfungsi pada suhu bilik. Dengan bantuan bahan-bahan ini, mungkin dapat membuat talian kuasa yang tidak membuang tenaga. Pada tahun 1957, ahli fizik John Bardeen, Leon Cooper, dan John Robert Schrieffer menunjukkan bahawa superkonduktiviti berlaku apabila elektron bebas dalam logam seperti aluminium sejajar dengan apa yang disebut pasangan Cooper. Walaupun jaraknya agak jauh, setiap elektron saling berkaitan dengan putaran dan momentum yang berlawanan. Seperti pasangan yang menari beramai-ramai di disko, elektron berpasangan bergerak berkoordinasi dengan yang lain, walaupun elektron lain melintas di antara mereka.
Video promosi:
Penjajaran ini membolehkan arus mengalir melalui bahan tanpa menghadapi rintangan, dan oleh itu tanpa kerugian. Superkonduktor paling praktikal yang dikembangkan sehingga kini mestilah pada suhu tepat di atas sifar mutlak untuk keadaan ini berterusan. Walau bagaimanapun, mungkin terdapat pengecualian.
Baru-baru ini, para penyelidik mendapati bahawa bahan pengeboman dengan laser intensiti tinggi juga dapat mengetuk elektron menjadi pasangan Cooper, walaupun sebentar. Andrea Cavalleri dari Institut Max Planck untuk Struktur dan Dinamika Perkara di Hamburg, Jerman, dan rakan-rakannya telah menemui tanda-tanda superkonduktiviti yang disebabkan oleh foto pada logam dan penebat. Cahaya yang menyerang bahan menyebabkan atom bergetar, dan elektron memasuki keadaan superkonduktiviti sebentar. "Pergolakan harus sengit," kata David Esie, seorang ahli fizik pekat di California Institute of Technology, yang menggunakan teknik laser yang sama untuk mewujudkan kesan kuantum yang tidak biasa pada bahan lain. "Sejenak, medan elektrik menjadi sangat kuat - tetapi hanya untuk waktu yang singkat."
Kod yang tidak boleh dipecahkan
Mengawal elektron adalah bagaimana Trushheim dan Englund berusaha untuk mengembangkan enkripsi kuantum yang tidak dapat dipecahkan. Dalam kes mereka, tujuannya bukan untuk mengubah sifat bahan, tetapi untuk memindahkan sifat kuantum elektron dalam berlian pereka ke foton yang menghantar kunci kriptografi. Di pusat warna berlian di makmal Englund, elektron bebas terletak, yang putarannya dapat diukur menggunakan medan magnet yang kuat. Putaran yang sejajar dengan medan dapat disebut putaran 1, putaran yang tidak selari adalah putaran 2, yang setara dengan 1 dan 0 pada bit digital. "Ini adalah zarah kuantum, sehingga dapat berada di kedua-dua negara pada masa yang sama," kata Englund. Bit kuantum, atau qubit, mampu melakukan banyak pengiraan pada masa yang sama.
Di sinilah lahirnya harta misteri - keterikatan kuantum. Bayangkan sebuah kotak yang mengandungi bola merah dan biru. Anda boleh mengambilnya tanpa melihat dan memasukkannya ke dalam poket anda, dan kemudian pergi ke bandar lain. Kemudian keluarkan bola dari poket anda dan cari bahawa ia berwarna merah. Anda akan segera memahami bahawa terdapat bola biru di dalam kotak. Ini adalah kekeliruan. Di dunia kuantum, kesan ini membolehkan maklumat dihantar dengan serta-merta dan jarak jauh.
Pusat berwarna di berlian di makmal Englund mengirimkan keadaan kuantum elektron yang mereka isi ke foton melalui ikatan, mewujudkan "qubit terbang," seperti yang disebut oleh Englund. Dalam komunikasi optik konvensional, foton dapat dihantar ke penerima - dalam kes ini, kekosongan lain dalam intan - dan keadaan kuantumnya akan dipindahkan ke elektron baru, sehingga kedua elektron terikat. Memancarkan bit yang tidak jelas ini akan membolehkan dua orang berkongsi kunci kriptografi. "Masing-masing memiliki rentetan nol dan satu, atau putaran atas dan bawah, yang kelihatan sama rawak, tetapi sama," kata Englund. Dengan menggunakan kunci ini untuk mengenkripsi data yang dihantar, anda dapat menjadikannya benar-benar selamat. Sekiranya seseorang ingin memintas penghantaran, pengirim akan mengetahui tentangnya,kerana tindakan mengukur keadaan kuantum akan mengubahnya.
Englund sedang bereksperimen dengan rangkaian kuantum yang mengirimkan foton ke serat optik melalui makmalnya, sebuah objek di Harvard University, dan satu lagi makmal MIT di bandar Lexington yang berdekatan. Para saintis telah berjaya menghantar kunci kriptografi kuantum dalam jarak jauh - pada tahun 2017, saintis China melaporkan bahawa mereka telah memindahkan kunci seperti itu dari satelit di orbit Bumi ke dua stesen darat yang berjarak 1200 kilometer di pergunungan Tibet. Tetapi kadar bit eksperimen China terlalu rendah untuk komunikasi praktikal: saintis hanya mencatatkan satu pasangan yang membingungkan dalam enam juta. Inovasi yang akan menjadikan rangkaian kuantum kriptografi di bumi praktikal adalah pengulang kuantum, peranti yang ditempatkan pada selang waktu pada rangkaian yang menguatkan isyarat,tanpa mengubah sifat kuantumnya. Tujuan Englund adalah mencari bahan dengan kecacatan atom yang sesuai sehingga pengulang kuantum ini dapat dibuat daripadanya.
Caranya adalah dengan membuat foton yang cukup terjerat untuk membawa data. Elektron dalam kekosongan pengganti nitrogen mengekalkan putarannya cukup lama - kira-kira satu saat - yang meningkatkan kemungkinan cahaya laser melaluinya dan menghasilkan foton yang terjerat. Tetapi atom nitrogen kecil dan tidak memenuhi ruang yang diciptakan oleh ketiadaan karbon. Oleh itu, foton berturut-turut boleh mempunyai warna yang sedikit berbeza, yang bermaksud mereka akan kehilangan korespondensi mereka. Atom lain, timah, misalnya, melekat erat dan membuat panjang gelombang yang stabil. Tetapi mereka tidak dapat menahan putaran cukup lama - oleh itu, kerja sedang dijalankan untuk mencari keseimbangan yang sempurna.
Hujung terbelah
Walaupun Englund dan yang lain cuba mengatasi elektron individu, yang lain menyelam lebih dalam ke dunia kuantum dan cuba memanipulasi pecahan elektron. Karya ini berakar pada eksperimen pada tahun 1982, ketika para saintis di Laboratorium Nasional Bell dan Laboratorium Nasional Lawrence Livermore memasangkan dua lapisan kristal semikonduktor yang berbeza, menyejukkannya hingga hampir sifar mutlak, dan menerapkan medan magnet yang kuat kepada mereka, menjebak elektron dalam pesawat di antara dua lapisan kristal. … Oleh itu, sejenis sup kuantum dibentuk di mana pergerakan setiap elektron individu ditentukan oleh cas yang dirasakannya dari elektron lain. "Ini bukan lagi zarah individu dalam diri mereka sendiri," kata Michael Manfra dari Purdue University. "Bayangkan balet di mana setiap penari tidak hanya melakukan langkahnya sendiri,tetapi juga bertindak balas terhadap pergerakan pasangan atau penari lain. Ini semacam jawapan umum."
Yang peliknya dari semua ini ialah koleksi seperti itu boleh dikenakan pecahan. Elektron adalah unit yang tidak dapat dipisahkan, ia tidak dapat dipotong menjadi tiga bahagian, tetapi sekelompok elektron dalam keadaan yang diinginkan dapat menghasilkan kuasipartikel yang disebut dengan 1/3 cas. "Ini seperti elektron yang berpecah," kata Mohammed Hafezi, seorang ahli fizik di Joint Quantum Institute. "Ia sangat pelik". Hafezi mencipta kesan ini dalam ultrasold graphene, lapisan karbon monatom, dan baru-baru ini menunjukkan bahawa dia dapat memanipulasi pergerakan quasiparticles dengan menerangi graphene dengan laser. "Ini dipantau sekarang," katanya. “Nodul luaran seperti medan magnet dan cahaya dapat dimanipulasi, ditarik ke atas, atau tidak terikat. Sifat perubahan kolektif berubah."
Manipulasi kuasipartikel membolehkan anda membuat jenis qubit khas - qubit topologi. Topologi adalah cabang matematik yang mengkaji sifat-sifat objek yang tidak berubah walaupun objek itu dipintal atau cacat. Contoh biasa adalah donat: jika elastik sempurna, ia boleh dibentuk semula menjadi cawan kopi tanpa mengubah apa-apa; lubang pada donat akan memainkan peranan baru dalam lubang pada pemegang cawan. Walau bagaimanapun, untuk mengubah donat menjadi pretzel, anda perlu menambahkan lubang baru ke dalamnya, mengubah topologinya.
Qubit topologi mengekalkan sifatnya walaupun dalam keadaan yang berubah. Biasanya, zarah mengubah keadaan kuantumnya, atau "decohere", apabila sesuatu di persekitarannya terganggu, seperti getaran kecil yang disebabkan oleh panas. Tetapi jika anda membuat qubit dari dua kuasipartikel yang dipisahkan dengan jarak tertentu, katakanlah, di hujung seberang kawat nanow, anda pada dasarnya membelah elektron. Kedua-dua bahagian mesti mengalami pelanggaran yang sama untuk menguraikannya, yang tidak mungkin terjadi.
Properti ini menjadikan qubit bitologi menarik bagi komputer kuantum. Kerana kemampuan qubit berada di superposisi banyak keadaan pada masa yang sama, komputer kuantum mesti dapat melakukan pengiraan yang secara praktikal tidak mungkin tanpa mereka, misalnya, untuk mensimulasikan Big Bang. Manfra pada dasarnya berusaha untuk membina komputer kuantum dari qubit topologi di Microsoft. Tetapi ada juga pendekatan yang lebih sederhana. Google dan IBM pada dasarnya berusaha untuk membina komputer kuantum berdasarkan wayar supercooled yang menjadi semikonduktor, atau atom terion dalam ruang vakum yang dipegang oleh laser. Masalah dengan pendekatan ini adalah bahawa mereka lebih sensitif terhadap perubahan persekitaran daripada topologi qubit, terutama jika jumlah qubit bertambah.
Oleh itu, qubit bitologi dapat merevolusikan kemampuan kita untuk memanipulasi perkara-perkara kecil. Walau bagaimanapun, ada satu masalah yang ketara: mereka belum wujud. Para penyelidik berusaha untuk membuatnya dari zarah Majorana yang disebut. Dicadangkan oleh Ettore Majorana pada tahun 1937, zarah ini adalah antipartikelnya sendiri. Elektron dan antipartikelnya, positron, mempunyai sifat yang sama, selain daripada cas, tetapi cas zarah Majorana akan menjadi sifar.
Para saintis percaya bahawa konfigurasi elektron dan lubang tertentu (tidak ada elektron) boleh berkelakuan seperti zarah Majorana. Mereka, pada gilirannya, dapat digunakan sebagai topologi qubit. Pada tahun 2012, ahli fizik Leo Kouvenhoven dari Universiti Teknologi Delft di Belanda dan rakan-rakannya mengukur apa yang mereka anggap sebagai partikel Majorana dalam rangkaian kabel nanok superkonduktor dan semikonduktor. Tetapi satu-satunya cara untuk membuktikan kewujudan quasipartikel ini adalah dengan membuat qubit topologi berdasarkannya.
Pakar lain dalam bidang ini lebih optimis. "Saya rasa tanpa pertanyaan seseorang suatu hari akan membuat quologi topologi, hanya untuk bersenang-senang," kata Steve Simon, seorang ahli teori masalah kental di Oxford University. "Satu-satunya persoalan ialah adakah kita dapat menjadikannya komputer kuantum masa depan."
Komputer kuantum - serta superkonduktor suhu tinggi dan penyulitan kuantum yang tidak dapat dipecahkan - mungkin muncul bertahun-tahun dari sekarang atau tidak pernah. Tetapi pada masa yang sama, para saintis berusaha menguraikan misteri alam pada skala terkecil. Setakat ini, tidak ada yang tahu sejauh mana mereka boleh pergi. Semakin dalam kita menembusi komponen terkecil di alam semesta kita, semakin banyak mereka mendorong kita keluar.
Ilya Khel
