Matt Trushheim legt im dunklen Labor den Schalter um und ein leistungsstarker grüner Laser beleuchtet einen winzigen Diamanten, der unter einem Mikroskopobjektiv festgehalten wird. Auf dem Computerbildschirm erscheint ein Bild, eine diffuse Gaswolke mit hellgrünen Punkten. Diese leuchtenden Punkte sind winzige Defekte im Diamanten, bei denen zwei Kohlenstoffatome durch ein Zinnatom ersetzt werden. Durch sie hindurchgehendes Laserlicht gelangt von einem Grünton zum anderen.
Später wird dieser Diamant auf die Temperatur von flüssigem Helium abgekühlt. Forscher des Quantum Photonics Laboratory unter der Leitung des Physikers Dirk Englund vom MIT glauben, dass sie die quantenmechanischen Eigenschaften von Photonen und Elektronen mit solcher Präzision auswählen können, indem sie die Kristallstruktur eines Diamantatoms Atom für Atom steuern, es auf einige Grad über dem absoluten Nullpunkt bringen und ein Magnetfeld anlegen. dass sie unzerbrechliche Geheimcodes übertragen können.
Trushheim ist einer von vielen Wissenschaftlern, die versuchen herauszufinden, welche Atome, die in Kristallen eingeschlossen sind, unter welchen Bedingungen sie die Kontrolle über dieses Niveau erlangen können. Tatsächlich versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt zu lernen, wie man die Natur auf der Ebene von Atomen und darunter, von Elektronen oder sogar einem Bruchteil eines Elektrons kontrolliert. Ihr Ziel ist es, die Knoten zu finden, die die grundlegenden Eigenschaften von Materie und Energie steuern, und diese Knoten durch Ändern von Materie und Energie zu spannen oder zu entwirren, um supermächtige Quantencomputer oder Supraleiter zu schaffen, die bei Raumtemperatur arbeiten.
Diese Wissenschaftler stehen vor zwei großen Herausforderungen. Auf technischer Ebene ist es sehr schwierig, solche Arbeiten durchzuführen. Einige Kristalle müssen beispielsweise in Vakuumkammern, die sauberer als der Weltraum sind, zu 99,99999999% rein sein. Eine noch grundlegendere Herausforderung besteht darin, dass die Quanteneffekte, die Wissenschaftler eindämmen möchten - beispielsweise die Fähigkeit eines Teilchens, sich wie Schrödingers Katze gleichzeitig in zwei Zuständen zu befinden - auf der Ebene einzelner Elektronen auftreten. Im Makrokosmos bricht diese Magie zusammen. Folglich müssen Wissenschaftler Materie im kleinsten Maßstab manipulieren und sind durch die Grenzen der Grundlagenphysik begrenzt. Ihr Erfolg wird bestimmen, wie sich unser Verständnis von Wissenschaft und technologischen Fähigkeiten in den kommenden Jahrzehnten ändern wird.
Alchemist's Traum
Die Manipulation von Materie besteht bis zu einem gewissen Grad aus der Manipulation von Elektronen. Am Ende bestimmt das Verhalten von Elektronen in einer Substanz ihre Eigenschaften als Ganzes - diese Substanz wird ein Metall, ein Leiter, ein Magnet oder etwas anderes sein. Einige Wissenschaftler versuchen, das kollektive Verhalten von Elektronen durch die Erzeugung einer quantensynthetischen Substanz zu ändern. Wissenschaftler sehen, wie „wir einen Isolator nehmen und ihn in ein Metall oder einen Halbleiter und dann in einen Supraleiter verwandeln. Wir können ein nichtmagnetisches Material in ein magnetisches verwandeln “, sagt die Physikerin Eva Andrew von der Rutgers University. "Dies ist der wahr gewordene Traum eines Alchemisten."
Und dieser Traum kann zu echten Durchbrüchen führen. Zum Beispiel haben Wissenschaftler jahrzehntelang versucht, Supraleiter herzustellen, die bei Raumtemperatur arbeiten. Mit Hilfe dieser Materialien könnten Stromleitungen erzeugt werden, die keine Energie verschwenden. 1957 zeigten die Physiker John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer, dass Supraleitung auftritt, wenn sich freie Elektronen in einem Metall wie Aluminium in sogenannten Cooper-Paaren ausrichten. Selbst wenn es relativ weit entfernt war, entsprach jedes Elektron einem anderen mit dem entgegengesetzten Spin und Impuls. Wie Paare, die in einer Disco in einer Menschenmenge tanzen, bewegen sich gepaarte Elektronen in Abstimmung mit anderen, selbst wenn andere Elektronen zwischen ihnen passieren.
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Durch diese Ausrichtung kann Strom durch das Material fließen, ohne auf Widerstand zu stoßen, und daher verlustfrei. Die praktischsten bisher entwickelten Supraleiter müssen bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt liegen, damit dieser Zustand bestehen bleibt. Es kann jedoch Ausnahmen geben.
Kürzlich haben Forscher herausgefunden, dass das Beschießen von Material mit einem Hochintensitätslaser auch Elektronen in Cooper-Paare stoßen kann, wenn auch nur für kurze Zeit. Andrea Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg und seine Kollegen haben Anzeichen einer photoinduzierten Supraleitung in Metallen und Isolatoren gefunden. Das auf das Material einfallende Licht lässt die Atome schwingen und die Elektronen treten kurzzeitig in einen Zustand der Supraleitung ein. "Die Erschütterung muss heftig sein", sagt David Esie, Physiker für kondensierte Materie am California Institute of Technology, der dieselbe Lasertechnik verwendet, um ungewöhnliche Quanteneffekte in anderen Materialien zu manifestieren. "Für einen Moment wird das elektrische Feld sehr stark - aber nur für kurze Zeit."
Unzerbrechliche Codes
Mit der Kontrolle von Elektronen wollten Trushheim und Englund eine unzerbrechliche Quantenverschlüsselung entwickeln. In ihrem Fall besteht das Ziel nicht darin, die Eigenschaften von Materialien zu ändern, sondern die Quanteneigenschaften von Elektronen in Designer-Diamanten auf Photonen zu übertragen, die kryptografische Schlüssel übertragen. Die Farbzentren von Diamanten in Englunds Labor enthalten freie Elektronen, deren Spins mit einem starken Magnetfeld gemessen werden können. Ein Spin, der mit dem Feld ausgerichtet ist, kann als Spin 1 bezeichnet werden. Ein Spin, der nicht ausgerichtet ist, ist Spin 2, was im digitalen Bit 1 und 0 entspricht. "Es ist ein Quantenteilchen, also kann es in beiden Zuständen gleichzeitig sein", sagt Englund. Ein Quantenbit oder Qubit kann viele Berechnungen gleichzeitig durchführen.
Hier wird eine mysteriöse Eigenschaft geboren - die Quantenverschränkung. Stellen Sie sich eine Schachtel mit roten und blauen Kugeln vor. Sie können eine nehmen, ohne zu schauen, sie in Ihre Tasche stecken und dann in eine andere Stadt fahren. Nehmen Sie dann den Ball aus Ihrer Tasche und stellen Sie fest, dass er rot ist. Sie werden sofort verstehen, dass sich eine blaue Kugel in der Box befindet. Das ist Verwirrung. In der Quantenwelt ermöglicht dieser Effekt die sofortige und weitreichende Übertragung von Informationen.
Die farbigen Zentren im Diamanten in Englunds Labor übertragen die Quantenzustände der darin enthaltenen Elektronen durch Verschränkung auf Photonen und erzeugen "fliegende Qubits", wie Englund sie nennt. Bei der herkömmlichen optischen Kommunikation kann ein Photon zum Empfänger übertragen werden - in diesem Fall ein weiterer leerer Hohlraum im Diamanten - und sein Quantenzustand wird auf ein neues Elektron übertragen, sodass die beiden Elektronen gebunden werden. Durch das Übertragen dieser verschleierten Bits können zwei Personen den kryptografischen Schlüssel gemeinsam nutzen. "Jeder hat eine Folge von Nullen und Einsen oder hohen und niedrigen Drehungen, die völlig zufällig erscheinen, aber identisch sind", sagt Englund. Mit diesem Schlüssel können Sie die übertragenen Daten verschlüsseln und absolut sicher machen. Wenn jemand die Übertragung abfangen möchte, weiß der Absender davon,weil das Messen eines Quantenzustands ihn ändern wird.
Englund experimentiert mit einem Quantennetzwerk, das Photonen durch sein Labor, ein Objekt an der Harvard University und ein weiteres MIT-Labor in der nahe gelegenen Stadt Lexington über Lichtwellenleiter sendet. Wissenschaftlern ist es bereits gelungen, quantenkryptografische Schlüssel über große Entfernungen zu übertragen. 2017 berichteten chinesische Wissenschaftler, dass sie einen solchen Schlüssel von einem Satelliten in der Erdumlaufbahn auf zwei Bodenstationen im Abstand von 1200 Kilometern in den Bergen Tibets übertragen hatten. Die Bitrate des chinesischen Experiments war jedoch für die praktische Kommunikation zu niedrig: Wissenschaftler verzeichneten nur ein verwirrendes Paar von sechs Millionen. Eine Innovation, die kryptografische Quantennetzwerke auf der Erde praktisch macht, sind Quantenverstärker, Geräte, die in Intervallen im Netzwerk angeordnet sind und das Signal verstärken.ohne seine Quanteneigenschaften zu ändern. Englunds Ziel ist es, Materialien mit geeigneten Atomdefekten zu finden, aus denen diese Quantenrepeater erzeugt werden können.
Der Trick besteht darin, genügend verschränkte Photonen zu erzeugen, um die Daten zu tragen. Ein Elektron in einer stickstoffsubstituierten Lücke behält seinen Spin lange genug bei - etwa eine Sekunde -, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Laserlicht durch ihn hindurchgeht und ein verwickeltes Photon erzeugt. Das Stickstoffatom ist jedoch klein und füllt nicht den Raum aus, der durch die Abwesenheit von Kohlenstoff entsteht. Daher können aufeinanderfolgende Photonen leicht unterschiedliche Farben haben, was bedeutet, dass sie ihre Entsprechung verlieren. Andere Atome, z. B. Zinn, haften fest und erzeugen eine stabile Wellenlänge. Aber sie werden den Spin nicht lange genug halten können - daher wird daran gearbeitet, das perfekte Gleichgewicht zu finden.
Spliss endet
Während Englund und andere versuchen, mit einzelnen Elektronen umzugehen, tauchen andere tiefer in die Quantenwelt ein und versuchen, den Anteil der Elektronen zu manipulieren. Diese Arbeit basiert auf einem Experiment aus dem Jahr 1982, als Wissenschaftler des Bell Laboratory und des Lawrence Livermore National Laboratory zwei Schichten verschiedener Halbleiterkristalle einlegten, sie auf nahezu Null abkühlten und ein starkes Magnetfeld an sie anlegten, wobei Elektronen in einer Ebene zwischen zwei Schichten von Kristallen eingefangen wurden. … So wurde eine Art Quantensuppe gebildet, bei der die Bewegung eines einzelnen Elektrons durch die Ladungen bestimmt wurde, die es von anderen Elektronen empfand. „Dies sind keine einzelnen Partikel mehr an und für sich“, sagt Michael Manfra von der Purdue University. „Stellen Sie sich ein Ballett vor, in dem jeder Tänzer nicht nur seine eigenen Schritte macht,reagiert aber auch auf die Bewegung eines Partners oder anderer Tänzer. Es ist eine Art allgemeine Antwort."
Das Seltsame an all dem ist, dass eine solche Sammlung Teilgebühren haben kann. Ein Elektron ist eine unteilbare Einheit, es kann nicht in drei Teile geschnitten werden, aber eine Gruppe von Elektronen im gewünschten Zustand kann mit 1/3 der Ladung ein sogenanntes Quasiteilchen erzeugen. "Es ist, als würden Elektronen gespalten", sagt Mohammed Hafezi, Physiker am Joint Quantum Institute. "Das ist sehr seltsam". Hafezi erzeugte diesen Effekt in ultrakaltem Graphen, einer einatomigen Kohlenstoffschicht, und zeigte kürzlich, dass er die Bewegung von Quasiteilchen manipulieren kann, indem er Graphen mit einem Laser beleuchtet. "Es wird jetzt überwacht", sagt er. „Externe Knoten wie Magnetfelder und Licht können manipuliert, hochgezogen oder ungebunden werden. Die Natur des kollektiven Wandels ändert sich."
Mit der Manipulation von Quasiteilchen können Sie eine spezielle Art von Qubit erstellen - ein topologisches Qubit. Die Topologie ist ein Zweig der Mathematik, der die Eigenschaften eines Objekts untersucht, die sich nicht ändern, selbst wenn dieses Objekt verdreht oder deformiert ist. Ein typisches Beispiel ist ein Donut: Wenn er perfekt elastisch wäre, könnte er in eine Kaffeetasse umgewandelt werden, ohne viel zu verändern. Das Loch im Donut spielt eine neue Rolle im Loch im Bechergriff. Um einen Donut in eine Brezel zu verwandeln, müssen Sie ihm jedoch neue Löcher hinzufügen und seine Topologie ändern.
Ein topologisches Qubit behält seine Eigenschaften auch unter sich ändernden Bedingungen. Normalerweise ändern Teilchen ihre Quantenzustände oder "Dekohärenz", wenn etwas in ihrer Umgebung gestört wird, wie z. B. kleine Schwingungen, die durch Wärme verursacht werden. Wenn Sie jedoch ein Qubit aus zwei durch einen gewissen Abstand voneinander getrennten Quasiteilchen herstellen, beispielsweise an entgegengesetzten Enden eines Nanodrahts, spalten Sie im Wesentlichen ein Elektron. Beide Hälften müssten die gleiche Verletzung erfahren, um zu entkoppeln, was unwahrscheinlich ist.
Diese Eigenschaft macht topologische Qubits für Quantencomputer attraktiv. Aufgrund der Fähigkeit eines Qubits, sich in einer Überlagerung vieler Zustände gleichzeitig zu befinden, müssen Quantencomputer in der Lage sein, Berechnungen durchzuführen, die ohne sie praktisch unmöglich sind, beispielsweise um den Urknall zu simulieren. Manfra versucht im Wesentlichen, Quantencomputer aus topologischen Qubits bei Microsoft zu bauen. Es gibt aber auch einfachere Ansätze. Google und IBM versuchen im Wesentlichen, Quantencomputer auf der Basis von unterkühlten Drähten zu bauen, die zu Halbleitern oder ionisierten Atomen in einer von Lasern gehaltenen Vakuumkammer werden. Das Problem bei diesen Ansätzen ist, dass sie empfindlicher auf Umweltveränderungen reagieren als topologische Qubits, insbesondere wenn die Anzahl der Qubits zunimmt.
So können topologische Qubits unsere Fähigkeit revolutionieren, winzige Dinge zu manipulieren. Es gibt jedoch ein wesentliches Problem: Sie existieren noch nicht. Forscher kämpfen darum, sie aus sogenannten Majorana-Partikeln herzustellen. Dieses Teilchen wurde 1937 von Ettore Majorana vorgeschlagen und ist ein eigenes Antiteilchen. Das Elektron und sein Antiteilchen, das Positron, haben abgesehen von der Ladung identische Eigenschaften, aber die Ladung des Majorana-Teilchens ist Null.
Wissenschaftler glauben, dass bestimmte Konfigurationen von Elektronen und Löchern (keine Elektronen) sich wie Majorana-Teilchen verhalten können. Sie können wiederum als topologische Qubits verwendet werden. Im Jahr 2012 haben der Physiker Leo Kouvenhoven von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden und seine Kollegen gemessen, was ihrer Meinung nach Majorana-Teilchen in einem Netzwerk aus supraleitenden und halbleitenden Nanodrähten sind. Der einzige Weg, die Existenz dieser Quasiteilchen zu beweisen, besteht darin, ein darauf basierendes topologisches Qubit zu erstellen.
Andere Experten auf diesem Gebiet sind optimistischer. "Ich denke, ohne Fragen wird eines Tages jemand zum Spaß ein topologisches Qubit erstellen", sagt Steve Simon, Theoretiker für kondensierte Materie an der Universität Oxford. "Die Frage ist nur, ob wir sie zum Quantencomputer der Zukunft machen können."
Quantencomputer - sowie Hochtemperatursupraleiter und unzerbrechliche Quantenverschlüsselung - können in vielen Jahren oder nie auftreten. Gleichzeitig versuchen Wissenschaftler, die Geheimnisse der Natur im kleinsten Maßstab zu entschlüsseln. Bisher weiß niemand, wie weit sie gehen können. Je tiefer wir in die kleinsten Komponenten unseres Universums eindringen, desto mehr drängen sie uns heraus.
Ilya Khel
