Как покорить квантовую природу вещества?

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

Позже этот алмаз будет охлажден до температуры жидкого гелия. 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.

Трушейм — один из множества ученых, которые пытаются выяснить, какие атомы, заключенные в кристаллах, при каких условиях позволят им получить контроль такого уровня. По сути, ученые по всему миру пытаются научиться управлять природой на уровне атомов и ниже, до электронов или даже доли электрона. 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.

Эти ученые сталкиваются с двумя основными проблемами. На техническом уровне проводить такие работы очень сложно. Некоторые кристаллы, например, должны быть на 99,99999999% чистыми в вакуумных камерах чище космоса. 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. В макромире эта магия рушится. Следовательно, ученым приходится манипулировать веществом в мельчайших масштабах, и они ограничены пределами фундаментальной физики. От их успеха зависит, как изменится наше понимание науки и технологических возможностей в грядущие десятилетия.
 

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

И эта мечта может привести к настоящим прорывам. К примеру, ученые на протяжении десятилетий пытались создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. С помощью этих материалов можно было бы создавать линии электропередач, не теряющие энергию. 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. Даже находясь относительно далеко, каждый электрон соответствовал другому, обладающему противоположным спином и импульсом. Словно пары, танцующие в толпе на дискотеке, спаренные электроны двигаются в координации с другими, даже если другие электроны проходят между ними.

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

В последнее время исследователи обнаружили, что обстреливание материала высокоинтенсивным лазером также может сбивать электроны в куперовские пары, пусть и ненадолго. Андреа Каваллери из Института строения и динамики материи Макса Планка в Гамбурге, Германия, и его коллеги обнаружили признаки фотоиндуцированной сверхпроводимости в металлах и изоляторах. Свет, поражая материал, заставляет атомы вибрировать, и электроны ненадолго входят в состояние сверхпроводимости. «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. «На мгновение электрическое поле становится очень сильным — но только на короткое время».
 

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

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

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. 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. Передача таких запутанных битов позволит двум людям разделить криптографический ключ. «У каждого есть строка нулей и единиц, или верхних и нижних спинов, которые кажутся совершенно случайными, но они идентичны», говорит Энглунд. Используя этот ключ для шифрования передаваемых данных, можно сделать их абсолютно защищенными. Если кто-то захочет перехватить передачу, отправитель будет об этом знать, поскольку акт измерения квантового состояния изменит ее.

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. 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. Но битрейт китайского эксперимента был слишком низким для практических коммуникаций: ученые зафиксировали только одну запутанную пару из шести миллионов. 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. Цель Энглунда — найти материалы с подходящими атомными дефектами, чтобы из них можно было создать эти квантовые повторители.

Трюк в том, чтобы создать достаточно запутанных фотонов для переноса данных. 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. Но атом азота маленький и не заполняет пространство, созданное отсутствием углерода. Поэтому последовательные фотоны могут быть слегка разных цветов, а значит, и потеряют соответствие. Другие атомы, олово, например, прилегают плотно и создают стабильную длину волны. Но они не смогут удерживать спин достаточно долго — следовательно, ведется работа по поиску идеального равновесия.
 

Пока Энглунд и другие пытаются совладать с отдельными электронами, другие ныряют еще глубже в квантовый мир и пытаются манипулировать уже долями электронов. 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. Так сформировался своего рода квантовый бульон, в котором движение любого отдельного электрона определялось зарядами, которые он ощущал от других электронов. «Это уже не отдельные частицы сами по себе», говорит Майкл Манфра из Университета Пердью. «Вообразите себе балет, в котором каждый танцор не только делает собственные па, но и реагирует на движение партнера или других танцоров. Это в некотором роде общий ответ».

Странно во всем этом то, что у такой коллекции могут быть дробные заряды. 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. «Будто электроны делятся на части», говорит Мохаммед Хафези, физик из Joint Quantum Institute. «Это очень странно». Хафези создал этот эффект в сверххолодном графене, одноатомном слое углерода, и недавно показал, что может манипулировать движением квазичастиц, подсвечивая графен лазером. «Теперь это контролируется», говорит он. «Внешними узелками, такими как магнитным полем и светом, можно управлять, подтягивать или распускать. Меняется природа коллективных изменений».

Манипуляции с квазичастицами позволяют создать особый тип кубита — топологический кубит. Топология — это область математики, изучающая свойства объекта, которые не меняются, даже если этот объект скручивается или деформируется. 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. Однако, чтобы превратить пончик в крендель, придется добавить ему новых дыр, меняя его топологию.

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

Это свойство делает топологические кубиты привлекательными для квантовых компьютеров. 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. Манфра, по сути, пытается создать квантовые компьютеры из топологических кубитов в Microsoft. Но есть и более простые подходы. Google и IBM, по сути, пытаются создать квантовые компьютеры на основе переохлажденных проводов, которые становятся полупроводниками, или ионизированных атомов в вакуумной камере, удерживаемых лазерами. Проблема таких подходов в том, что они в большей степени чувствительны к изменениям окружающей среды, чем топологические кубиты, особенно если число кубитов растет.

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

Ученые полагают, что определенные конфигурации электронов и дырок (отсутствие электронов) могут вести себя как майорановские частицы. Их, в свою очередь, можно использовать в качестве топологических кубитов. 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. Но единственным способом доказать существовать этих квазичастиц будет создание топологического кубита на их основе.

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

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