Исследуя квантовый мир, учёные надеются обрести новые средства управления материей и энергией.
Находясь в затемнённой лаборатории, Мэтт Трусхайм (Matt Trusheim) щёлкает выключателем, и мощный зелёный лазер освещает крошечный алмаз, закреплённый на предметном столике под объективом микроскопа. На мониторе компьютера появляется изображение: мутное зелёное облако, усеянное ярко-зелёными точками. Светящиеся точки — это центры окраски. Они представляют собой крошечные дефекты алмаза — места, в которых два атома углерода заменил атом олова, в результате чего свет лазера окрашивается в зелёный цвет разных оттенков.
Позже алмаз будет охлаждён до температуры жидкого гелия. Управляя кристаллической структурой алмаза на атомном уровне, делая его температуру почти равной абсолютному нулю и применяя магнитное поле, исследователи Лаборатории квантовой фотоники (Quantum Photonics Laboratory), которой руководит физик Дирк Энглунд (Dirk Englund) из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology), рассчитывают так тщательно подобрать квантово-механические свойства фотонов и электронов, чтобы появилась возможность передавать абсолютно защищённые от взлома секретные коды.
Работая в лаборатории, доктор Трусхайм, как и многие другие учёные, пытается выяснить, при каких условиях, с какими кристаллами и с какими внедрёнными в них атомами данная задача будет решена. Такова нынешняя действительность: исследователи всего мира учатся управлять природой на атомном и субатомном (вплоть до электронов и даже их долей) уровнях. Цель состоит в том, чтобы обрести рычаги управления фундаментальными свойствами природы и, двигая эти рычаги, настраивать материю и энергию так, как нужно человеку, создавать сверхмощные квантовые компьютеры или сверхпроводники, которые работают при комнатной температуре.
На этом пути учёным необходимо преодолевать две основные трудности. Во-первых, приходится иметь дело с чрезвычайно сложными техническими задачами. Например, чистота некоторых кристаллов должна составлять 99,99999999 %, чего можно достичь лишь в вакуумных камерах, где пустота выше, чем в космосе. Во-вторых, и это более фундаментальная проблема, квантовые эффекты, которые стремятся использовать учёные, — например, способность частицы находиться, подобно коту Шредингера, в двух состояниях одновременно, — имеют место лишь на электронном уровне. В макромире эта магия исчезает. Поэтому исследователи, манипулируя материей в микромире, пытаются уговорить природу выходить за пределы, установленные фундаментальной физикой. От того, насколько эта работа окажется успешной, зависят наши научные и технологические знания, которые удастся обрести в предстоящие десятилетия.
Мечта алхимиков
Манипулирование материей в значительной степени связано с управлением электронами. В конце концов, именно то, как ведут себя электроны, определяет свойства вещества — является ли оно металлом, изолятором, магнитом или чем-то ещё. Некоторые учёные пытаются изменить коллективное поведение электронов для создания так называемых квантово-синтетических материалов. Как заявила на недавней конференции физик Ева Эндрей (Eva Andrei) из Ратгерского университета (Rutgers University), по мнению исследователей, «можно взять изолятор и превратить его в металл или полупроводник, а затем — в сверхпроводник. Мы можем превратить немагнитный материал в магнитный. Мечта алхимиков, поистине, становится явью».
Эта мечта может привести к настоящим прорывам. Например, исследователи десятилетиями пытаются создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. На их основе можно строить такие ЛЭП, которые совсем не теряют электроэнергию. В 1972 году физики Джон Бардин (John Bardeen), Леон Купер (Leon Cooper) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer) получили Нобелевскую премию за революционное открытие, сделанное ими в 1957 году. Они показали, что сверхпроводимость возникает тогда, когда свободные электроны, содержащиеся в металле (например, в алюминии), образуют так называемые «куперовские пары». В каждой из таких пар электроны имеют противоположные спин и импульс, и даже если один электрон из пары относительно далеко от другого, связь между ними сохраняется. Совсем как пары, танцующие на многолюдной дискотеке, парные электроны движутся согласованно, даже в тех случаях, когда между ними встревают другие электроны.
Парность свободных электронов позволяет току идти по металлу без сопротивления и, следовательно, без потерь. Сейчас для практического применения такое состояние проводника удаётся получить только путём его охлаждения до нескольких градусов выше абсолютного нуля. И всё же недавно исследователи обнаружили, что можно ненадолго заставить электроны образовать куперовские пары, ударив по материалу определённого рода светом высокоинтенсивного лазера. Физик Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology) Дэвид Хси (David Hsieh), исследующий конденсированные вещества, создаёт фотоиндуцированную сверхпроводимость в «изоляторах Мотта» — веществах, становящихся изоляторами при очень низких температурах. Свет, попадая на такой изолятор, возбуждает электроны и заставляет их на короткое время выстраиваться парами. «Встряска должна быть очень мощной, — объясняет Хси. — Электрическое поле мгновенно становится чрезвычайно сильным, но это такой кратковременный эффект — тепла выделяется мало».
Чтобы под действием лазера материал не испарился, Хси применяет ударный импульс, который длится всего десятки или сотни фемтосекунд. (В одной секунде столько же фемтосекунд, сколько секунд в 32 миллионах лет). К сожалению, получаемая таким образом сверхпроводимость быстро исчезает. Учёные стремятся выяснить, как сделать этот кратковременный эффект достаточно долгим для того, чтобы его можно было использовать на практике. «То, что мы пытаемся сделать, — говорит Хси о своём и других исследованиях квантовых материалов, — это придумать такие сложные вещества, в которых даже большая порция электронов демонстрирует квантово-механическую странность, характерную лишь для отдельных частиц».
Коды, которые нельзя взломать
Что касается Трусхайма и Энглунда, то, управляя электронами, они надеются разработать не допускающее взломов квантовое шифрование. В их случае цель состоит не в том, чтобы изменить свойства материалов, а в том, чтобы в созданных ими алмазах электроны делились своими квантовыми свойствами с фотонами, передающими криптографический ключ. В лаборатории Энглунда в центрах окраски алмазов крутятся свободные электроны, спины которых можно измерять с помощью сильного магнитного поля. Спин электрона, ориентированный по направлению поля, можно назвать спином 1, а ориентированный против поля — спином 2, что эквивалентно числам 1 и 0 цифрового бита. «Это квантовая частица, поэтому в одно и то же время она может находиться в обоих состояниях», — говорит Энглунд. Данное обстоятельство позволяет электрону играть роль квантового бита, или кубита, способного выполнять несколько вычислений одновременно.
И тут появляется таинственное свойство, известное как квантовая запутанность. Пусть рядом с вами коробка с двумя шарами — красным и синим. Не глядя на шары, возьмите один из них, положите в карман и погуляйте по городу. Потом достаньте из кармана взятый вами шар. Допустим, он оказался красным. Вам сразу же становится ясно, что в коробке остался синий. Это и есть запутанность. В мире квантовой механики данный эффект позволяет мгновенно передавать информацию даже на огромные расстояния.
Теперь вернёмся в лабораторию Энглунда. Посредством запутывания центры окраски алмаза передают квантовые состояния содержащихся в них электронов фотонам, создавая то, что Энглунд называет «летающими кубитами». Как и при стандартной оптической связи, фотон можно послать в приёмник — в данном случае, в какую-то вакансию (точечный дефект) другого алмаза. Здесь этот фотон передаёт своё квантовое состояние новому электрону, в результате чего появляются два соотносящихся друг с другом электрона. Двум людям, передающим такие запутанные биты, можно совместно использовать криптографический ключ. «У каждого есть строка, состоящая из нулей и единиц, или из разных спинов, которые выстроились, вроде бы, случайно, но при этом идентичны», — говорит Энглунд. Использование такого ключа в качестве коэффициента умножения для других отправляемых данных делает коммуникацию безопасной. Любая попытка перехватить передачу сразу же становится известной тем, кто общается, ибо квантовое состояние меняется, когда его измеряют.
Энглунд экспериментирует с квантовой сетью, где фотоны по оптическим волокнам курсируют между его собственной лабораторией, расположенной в Гарвардском университете (Harvard University), и Лабораторией имени Линкольна Массачусетского технологического института (M.I.T.’s Lincoln Laboratory), которая находится в соседнем городе Лексингтон, штат Массачусетс. Квантово-криптографические ключи уже удаётся передавать и на бóльшие расстояния: в 2017 году китайские учёные сообщили о передаче такого рода ключа с искусственного спутника Земли двум наземным станциям, находящимся на расстоянии 1200 километров друг от друга в горах Тибета. Однако битрейт китайского эксперимента оказался слишком низким для практического использования: среди шести миллионов пар была обнаружена лишь одна запутанная. Сделать наземные квантово-криптографические сети практически полезными позволяют квантовые повторители. Эти устройства, размещаемые в сети через определённые интервалы, способны усиливать сигнал, не влияя на его квантовые свойства. Цель Энглунда — получить необходимые для производства квантовых повторителей материалы с атомными дефектами.
Здесь вот какая трудность: для переноса данных нужно создавать много спин-запутанных фотонов. Электрон в азото-замещённой вакансии (nitrogen vacancy) долго — около секунды — сохраняет своё спиновое состояние, увеличивая шансы на то, что, проходя через это место, свет лазера произведёт запутанный фотон. Но атом азота настолько мал, что заполняет не всё пространство, возникающее после удаления атомов углерода. Это несоответствие может привести к тому, что следующие друг за другом фотоны будут слегка различаться по цвету, а значит, окажутся не соответствующими друг другу. Другие атомы, например атом олова, заполняют вакантное место плотнее и потому дают стабильную длину волны, однако они не способны достаточно долго сохранять своё спиновое состояние. Поскольку идеальный баланс не найден, работа исследователей продолжается.
Секущиеся концы
В то время как Энглунд и его коллеги стремятся обуздать отдельные электроны, есть исследователи, которые ещё глубже погружаются в квантовый мир, пытаясь манипулировать долями электронов. Начало этой работе положил эксперимент, проведённый в 1982 году учёными из Bell Laboratories и Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory). Они сделали «бутерброд» из двух пластин разных полупроводниковых кристаллов, охладили его почти до абсолютного нуля и включили сильное магнитное поле, чтобы захватывать электроны в плоскости на стыке двух кристаллических слоёв. В результате получилось что-то вроде «квантового супа», в котором движение любого электрона зависит от зарядов других электронов. «Фактически, это вовсе не автономные частицы, существующие сами по себе, — говорит Майкл Манфра (Michael Manfra), руководитель Группы квантовых полупроводниковых систем (Quantum Semiconductor Systems Group) Университета Пёрдью (Purdue University). — Представьте себе балет, где каждый танцор не только исполняет свою партию, но ещё и реагирует на движения партнёра и других танцоров. Вот с какого рода обобщающей реакцией мы имеем дело».
У этого «электронного балета» есть странное свойство: в нём могут появляться дробные заряды. Электрон — неделимая единица, его нельзя разрезать на три части, но в «квантовом супе» группа электронов может создать так называемую квазичастицу с зарядом 1/3. «Электроны будто разбиты на части, — говорит Мохаммад Хафези (Mohammad Hafezi), физик из Объединённого квантового института (Joint Quantum Institute), созданного на основе научно-исследовательского партнерства Университета Мэриленда (University of Maryland) и Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology). — Это очень странно». Хафези создаёт данный эффект в сильно охлаждённом графене — листах углерода атомарной толщины. Недавно он показал, что, освещая графен лазером, можно управлять движением квазичастиц. «Теперь оно под контролем, — говорит Хафези. — Теперь у меня есть внешние рычаги управления, такие как магнитное поле и свет. С помощью этих рычагов можно менять природу коллективного состояния электронов».
Манипулирование квазичастицами может послужить основой для создания кубитов особого вида — топологических. Топология — это область математики, которая изучает свойства объекта, остающиеся неизменными даже при его скручивании и деформировании. Стандартный пример — бублик: будь он идеально эластичным, вы могли бы, не прибегая к существенным изменениям, преобразовать его в кофейную чашку; при этом дырка бублика станет играть роль отверстия для пальцев в ручке чашки. Однако преобразовать бублик в крендель без изменения исходной топологии не получится, ибо придётся проделать в бублике дополнительную дырку.
Топологический кубит сохраняет свои свойства даже в меняющихся условиях. Обычно частицы меняют свои квантовые состояния, или «декогерируют», испытывая какое-то внешнее воздействие, например небольшую вибрацию, возникающую при нагревании окружающей среды. Но при создании кубита из двух квазичастиц, находящихся на некотором расстоянии друг от друга — скажем, на противоположных концах нанопроволоки, электрон, по существу, расщепляется. Обе «половинки» должны испытывать одно и то же воздействие, ведущее к декогерации, и характер этого явления едва ли случаен.
Данное свойство делает топологические кубиты привлекательными для создателей квантовых компьютеров. Не будь кубиты способными в одно и то же время пребывать в суперпозиции многих состояний, квантовые компьютеры не смогли бы решать такие невероятно сложные вычислительные задачи, как моделирование Большого взрыва. Работа Манфра, по сути, является частью глобальных усилий Microsoft по созданию квантовых компьютеров на основе топологических кубитов. Есть и другие подходы, но вряд ли они более простые. Например, Google и IBM стремятся получить квантовые компьютеры на основе проводов, становящихся полупроводниками при очень сильном охлаждении, а также на основе находящихся в вакуумной камере ионизированных атомов, которые захватываются лазерами. Проблема этих подходов состоит в том, что получаемые при их реализации кубиты гораздо чувствительнее к возмущениям окружающей среды, чем топологические, и чем больше кубитов, тем выше чувствительность.
Так что топологические кубиты вполне могут оказаться предвестниками революции в сфере манипулирования крошечными фрагментами микромира. Есть, однако, существенная проблема: эти кубиты ещё не созданы. Исследователи пытаются построить их из объекта, называемого майорановской частицей. Согласно гипотезе Этторе Майораны (Ettore Majorana), выдвинутой в 1937 году, эта частица является собственной античастицей. У электрона и его античастицы (позитрона) свойства, за исключением заряда, идентичны, но заряд майорановской частицы равен нулю.
Учёные считают, что определённые конфигурации электронов и «дыр» (отсутствующих электронов) могут вести себя как майорановские частицы, что когда-нибудь позволит им превратиться в топологические кубиты. В 2012 году физик Лео Коувенховен (Leo Kouwenhoven) из Делфтского технологического университета (Delft University of Technology), Нидерланды, и его коллеги обнаружили в сети, состоящей из сверхпроводящих и полупроводниковых нанопроводов, частицы, похожие на майорановские. И всё же, утверждает Санкар Дас Сарма (Sankar Das Sarma) из Центра теории конденсированного состояния (Condensed Matter Theory Center) в Университете Мэриленда (University of Maryland), Колледж-Парк, единственный способ убедительно доказать существование этих квазичастиц — построить из них топологический кубит.
Однако другие специалисты настроены оптимистично. «На мой взгляд, можно не сомневаться, что в конце концов кто-то сумеет построить топологический кубит — просто потому, что это интересно, — и опишет, как это делается, — считает Стив Саймон (Steve Simon), теоретик из Оксфордского университета (University of Oxford), изучающий конденсированное состояние. — Вот только найдёт ли это применение в квантовых компьютерах будущего — большой вопрос».
Для создания квантовых компьютеров, а также высокотемпературных сверхпроводников и абсолютно защищённых квантовых шифров, могут потребоваться годы. Впрочем, возможно, что всё это окажется неосуществимым. Но, как бы то ни было, исследователи продолжат борьбу за освоение природы в самых маленьких масштабах. Учёные ещё не знают, в какие глубины материи им удастся погрузиться. Они уже забрались на удивление далеко, но чем больше глубина, тем больше сопротивление природы.
