Matt Trushheim zet de schakelaar om in het donkere laboratorium en een krachtige groene laser verlicht een kleine diamant die op zijn plaats wordt gehouden onder een microscoopobjectief. Er verschijnt een beeld op het computerscherm, een diffuse gaswolk bezaaid met heldergroene stippen. Deze gloeiende stippen zijn kleine defecten in de diamant, waarbij twee koolstofatomen worden vervangen door één tinatoom. Laserlicht dat erdoorheen gaat, gaat van de ene tint groen naar de andere.
Later wordt deze diamant gekoeld tot de temperatuur van vloeibaar helium. Door de kristalstructuur van een diamant atoom voor atoom te regelen, deze enkele graden boven het absolute nulpunt te brengen en een magnetisch veld aan te leggen, denken onderzoekers van het Quantum Photonics Laboratory, geleid door natuurkundige Dirk Englund aan het MIT, dat ze de kwantummechanische eigenschappen van fotonen en elektronen zo nauwkeurig kunnen selecteren. dat ze in staat zullen zijn om onbreekbare geheime codes over te dragen.
Trushheim is een van de vele wetenschappers die proberen te achterhalen welke atomen, ingesloten in kristallen, onder welke omstandigheden ze in staat zullen stellen controle te krijgen over dit niveau. In feite proberen wetenschappers over de hele wereld te leren hoe ze de natuur kunnen beheersen op het niveau van atomen en lager, tot elektronen of zelfs een fractie van een elektron. Hun doel is om de knopen te vinden die de fundamentele eigenschappen van materie en energie beheersen, en deze knopen aan te halen of te ontwarren door materie en energie te veranderen, om superkrachtige kwantumcomputers of supergeleiders te creëren die werken bij kamertemperatuur.
Deze wetenschappers staan voor twee grote uitdagingen. Op technisch niveau is het erg moeilijk om dergelijk werk uit te voeren. Sommige kristallen moeten bijvoorbeeld 99,99999999% zuiver zijn in vacuümkamers schoner dan in de ruimte. Een nog fundamentelere uitdaging is dat de kwantumeffecten die wetenschappers willen beteugelen - bijvoorbeeld het vermogen van een deeltje om in twee toestanden tegelijk te zijn, zoals de kat van Schrödinger - optreden op het niveau van individuele elektronen. In de macrokosmos stort deze magie in elkaar. Daarom moeten wetenschappers materie op de kleinste schaal manipuleren en worden ze beperkt door de grenzen van de fundamentele fysica. Hun succes zal bepalen hoe ons begrip van wetenschappelijke en technologische mogelijkheden in de komende decennia zal veranderen.
Alchemist's droom
Het manipuleren van materie bestaat tot op zekere hoogte in het manipuleren van elektronen. Uiteindelijk bepaalt het gedrag van elektronen in een stof de eigenschappen als geheel - deze stof zal een metaal, een geleider, een magneet of iets anders zijn. Sommige wetenschappers proberen het collectieve gedrag van elektronen te veranderen door een kwantumsynthetische substantie te creëren. Wetenschappers zien hoe “we een isolator nemen en er een metaal of een halfgeleider van maken en dan een supergeleider. We kunnen een niet-magnetisch materiaal in een magnetisch materiaal veranderen”, zegt natuurkundige Eva Andrew van Rutgers University. "Dit is de droom van een alchemist die uitkomt."
En deze droom kan tot echte doorbraken leiden. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld decennia lang geprobeerd supergeleiders te maken die bij kamertemperatuur werken. Met behulp van deze materialen zou het mogelijk zijn om hoogspanningslijnen te creëren die geen energie verspillen. In 1957 toonden natuurkundigen John Bardeen, Leon Cooper en John Robert Schrieffer aan dat supergeleiding optreedt wanneer vrije elektronen in een metaal zoals aluminium uitlijnen in zogenaamde Cooper-paren. Zelfs als het relatief ver weg was, kwam elk elektron overeen met een ander, met de tegenovergestelde draaiing en momentum. Net als paren die dansen in een menigte in een disco, bewegen gepaarde elektronen in coördinatie met anderen, zelfs als er andere elektronen tussen hen passeren.
Promotie video:
Door deze uitlijning kan stroom door het materiaal stromen zonder weerstand te ondervinden, en dus verliesloos. De meest praktische supergeleiders die tot nu toe zijn ontwikkeld, moeten een temperatuur hebben net boven het absolute nulpunt om deze toestand te laten voortduren. Er kunnen echter uitzonderingen zijn.
Onlangs hebben onderzoekers ontdekt dat het bombarderen van materiaal met een laser met hoge intensiteit ook elektronen in Cooper-paren kan kloppen, zij het voor korte tijd. Andrea Cavalleri van het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamiek van Materie in Hamburg, Duitsland, en zijn collega's hebben tekenen gevonden van foto-geïnduceerde supergeleiding in metalen en isolatoren. Het licht dat op het materiaal valt, zorgt ervoor dat de atomen trillen, en de elektronen komen kort in een staat van supergeleiding. "De opschudding moet hevig zijn", zegt David Esie, een fysicus van gecondenseerde materie aan het California Institute of Technology, die dezelfde lasertechniek gebruikt om ongebruikelijke kwantumeffecten in andere materialen te manifesteren. "Even wordt het elektrische veld erg sterk - maar slechts voor korte tijd."
Onbreekbare codes
Elektronenmanipulatie is hoe Trushheim en Englund begonnen met het ontwikkelen van onbreekbare kwantumversleuteling. In hun geval is het doel niet om de eigenschappen van materialen te veranderen, maar om de kwantumeigenschappen van elektronen in designer diamanten over te dragen naar fotonen die cryptografische sleutels doorgeven. In de kleurcentra van diamanten in het laboratorium van Englund bevinden zich vrije elektronen, waarvan de spins kunnen worden gemeten met een sterk magnetisch veld. Een spin die uitgelijnd is met het veld kan spin 1 worden genoemd, een spin die niet uitlijnt is spin 2, wat gelijk is aan 1 en 0 in de digitale bit. "Het is een kwantumdeeltje, dus het kan in beide toestanden tegelijk zijn", zegt Englund. Een kwantumbit of qubit kan veel berekeningen tegelijkertijd uitvoeren.
Hier wordt een mysterieuze eigenschap geboren - kwantumverstrengeling. Stel je een doos voor met rode en blauwe ballen. Je kunt er een nemen zonder te kijken en hem in je zak steken, en dan naar een andere stad vertrekken. Haal dan de bal uit je zak en ontdek dat hij rood is. Je zult meteen begrijpen dat er een blauwe bal in de doos zit. Dit is verwarring. In de kwantumwereld zorgt dit effect ervoor dat informatie direct en over grote afstanden kan worden verzonden.
De gekleurde centra in de diamant in het laboratorium van Englund geven de kwantumtoestanden van de elektronen die ze bevatten door aan fotonen door verstrengeling, waardoor 'vliegende qubits' ontstaan, zoals Englund ze noemt. Bij conventionele optische communicatie kan een foton naar de ontvanger worden verzonden - in dit geval een andere lege leegte in de diamant - en de kwantumtoestand zal worden overgedragen aan een nieuw elektron, zodat de twee elektronen gebonden zijn. Door deze versluierde bits te verzenden, kunnen twee mensen de cryptografische sleutel delen. "Elk heeft een reeks nullen en enen, of hoge en lage spins, die volkomen willekeurig lijken, maar ze zijn identiek", zegt Englund. Door deze sleutel te gebruiken om de verzonden gegevens te versleutelen, kunt u ze absoluut veilig maken. Als iemand de verzending wil onderscheppen, weet de afzender hiervan,omdat het meten van een kwantumtoestand deze zal veranderen.
Englund experimenteert met een kwantumnetwerk dat fotonen via optische vezels door zijn laboratorium stuurt, een object verderop aan de Harvard University en een ander MIT-laboratorium in het nabijgelegen Lexington. Wetenschappers zijn er al in geslaagd om kwantum-cryptografische sleutels over grote afstanden over te dragen - in 2017 meldden Chinese wetenschappers dat ze zo'n sleutel hadden overgedragen van een satelliet in een baan om de aarde naar twee grondstations die 1200 kilometer van elkaar verwijderd waren in de bergen van Tibet. Maar de bitrate van het Chinese experiment was te laag voor praktische communicatie: wetenschappers registreerden slechts één verwarrend paar op zes miljoen. Een innovatie die cryptografische kwantumnetwerken op aarde praktisch zal maken, zijn kwantumrepeaters, apparaten die met tussenpozen op het netwerk worden geplaatst die het signaal versterken,zonder de kwantumeigenschappen ervan te veranderen. Englund's doel is om materialen te vinden met geschikte atomaire defecten, zodat deze kwantumrepeaters daaruit kunnen worden gemaakt.
De truc is om voldoende verstrengelde fotonen te creëren om de gegevens te vervoeren. Een elektron in een met stikstof gesubstitueerde vacature behoudt zijn draaiing lang genoeg - ongeveer een seconde - waardoor de kans groter wordt dat laserlicht erdoorheen gaat en een verstrengeld foton produceert. Maar het stikstofatoom is klein en vult niet de ruimte die ontstaat door de afwezigheid van koolstof. Daarom kunnen opeenvolgende fotonen enigszins verschillende kleuren hebben, wat betekent dat ze hun correspondentie verliezen. Andere atomen, bijvoorbeeld tin, hechten zich stevig vast en zorgen voor een stabiele golflengte. Maar ze zullen de spin niet lang genoeg kunnen vasthouden - daarom wordt er gewerkt aan het vinden van de perfecte balans.
Gespleten punten
Terwijl Englund en anderen proberen om te gaan met individuele elektronen, duiken anderen dieper de kwantumwereld in en proberen ze de fractie elektronen te manipuleren. Dit werk is geworteld in een experiment in 1982, toen wetenschappers van Bell Laboratories en Lawrence Livermore National Laboratories twee lagen van verschillende halfgeleiderkristallen in een sandwich plaatsten, ze afkoelden tot bijna het absolute nulpunt en een sterk magnetisch veld erop toepasten, waardoor elektronen werden ingevangen in een vlak tussen twee lagen kristallen. … Zo ontstond een soort kwantumsoep waarin de beweging van elk individueel elektron werd bepaald door de ladingen die het voelde van andere elektronen. "Dit zijn niet langer individuele deeltjes op zichzelf", zegt Michael Manfra van Purdue University. “Stel je een ballet voor waarin elke danser niet alleen zijn eigen passen doet,maar reageert ook op de beweging van een partner of andere dansers. Het is een soort algemeen antwoord."
Het vreemde aan dit alles is dat een dergelijke verzameling fractionele kosten kan hebben. Een elektron is een ondeelbare eenheid, het kan niet in drie delen worden gesneden, maar een groep elektronen in de gewenste toestand kan met 1/3 van de lading een zogenaamd quasideeltje produceren. "Het is alsof elektronen worden opgesplitst", zegt Mohammed Hafezi, een natuurkundige bij het Joint Quantum Institute. "Het is heel vreemd". Hafezi creëerde dit effect in ultrakoud grafeen, een mono-atomaire laag koolstof, en liet onlangs zien dat hij de beweging van quasideeltjes kan manipuleren door grafeen met een laser te belichten. "Het wordt nu gecontroleerd", zegt hij. “Externe knobbeltjes zoals magnetische velden en licht kunnen worden gemanipuleerd, omhooggetrokken of losgemaakt. De aard van collectieve verandering is aan het veranderen."
Met manipulatie van quasi-deeltjes kunt u een speciaal type qubit maken - een topologische qubit. Topologie is een tak van de wiskunde die de eigenschappen van een object bestudeert die niet veranderen, zelfs niet als dat object wordt gedraaid of vervormd. Een typisch voorbeeld is een donut: als hij perfect elastisch was, zou hij omgevormd kunnen worden tot een koffiekopje zonder veel te veranderen; het gaatje in de donut zal een nieuwe rol spelen in het gaatje in de bekerhendel. Om een doughnut in een krakeling te veranderen, moet u er echter nieuwe gaten aan toevoegen en de topologie ervan wijzigen.
Een topologische qubit behoudt zijn eigenschappen ook onder veranderende omstandigheden. Gewoonlijk veranderen deeltjes hun kwantumtoestand, of "decohere", wanneer iets in hun omgeving wordt verstoord, zoals kleine trillingen veroorzaakt door warmte. Maar als je een qubit maakt van twee quasi-deeltjes die op enige afstand van elkaar zijn gescheiden, bijvoorbeeld aan tegenoverliggende uiteinden van een nanodraad, splits je in wezen een elektron. Beide helften zouden dezelfde overtreding moeten ondergaan om te kunnen decohere, wat waarschijnlijk niet zal gebeuren.
Deze eigenschap maakt topologische qubits aantrekkelijk voor kwantumcomputers. Omdat een qubit in een superpositie van vele toestanden tegelijk kan zijn, moeten kwantumcomputers berekeningen kunnen uitvoeren die zonder hen praktisch onmogelijk zijn, bijvoorbeeld om de oerknal te simuleren. Manfra probeert in wezen kwantumcomputers te bouwen van topologische qubits bij Microsoft. Maar er zijn ook eenvoudigere benaderingen. Google en IBM proberen in wezen kwantumcomputers te bouwen op basis van onderkoelde draden die halfgeleiders worden, of geïoniseerde atomen in een vacuümkamer die wordt vastgehouden door lasers. Het probleem met deze benaderingen is dat ze gevoeliger zijn voor veranderingen in de omgeving dan topologische qubits, vooral als het aantal qubits toeneemt.
Topologische qubits kunnen dus een revolutie teweegbrengen in ons vermogen om kleine dingen te manipuleren. Er is echter één groot probleem: ze bestaan nog niet. Onderzoekers worstelen om ze te maken uit zogenaamde Majorana-deeltjes. Dit deeltje, voorgesteld door Ettore Majorana in 1937, is zijn eigen antideeltje. Het elektron en zijn antideeltje, het positron, hebben identieke eigenschappen, behalve lading, maar de lading van het Majorana-deeltje zal nul zijn.
Wetenschappers geloven dat bepaalde configuraties van elektronen en gaten (geen elektronen) zich kunnen gedragen als Majorana-deeltjes. Ze kunnen op hun beurt worden gebruikt als topologische qubits. In 2012 maten natuurkundige Leo Kouvenhoven van de TU Delft en zijn collega's wat zij dachten dat Majorana-deeltjes waren in een netwerk van supergeleidende en halfgeleidende nanodraden. Maar de enige manier om het bestaan van deze quasi-deeltjes te bewijzen, is door er een topologische qubit op te maken.
Andere experts op dit gebied zijn optimistischer. "Ik denk dat iemand zonder enige vragen ooit een topologische qubit zal maken, gewoon voor de lol", zegt Steve Simon, een theoreticus van de gecondenseerde materie aan de universiteit van Oxford. "De enige vraag is of we er de kwantumcomputer van de toekomst van kunnen maken."
Kwantumcomputers - evenals supergeleiders op hoge temperatuur en onbreekbare kwantumversleuteling - kunnen over vele jaren al dan niet verschijnen. Maar tegelijkertijd proberen wetenschappers de mysteries van de natuur op de kleinste schaal te ontcijferen. Tot nu toe weet niemand hoe ver ze kunnen gaan. Hoe dieper we doordringen in de kleinste componenten van ons universum, hoe meer ze ons eruit duwen.
Ilya Khel
