Matt Trushheim aziona l'interruttore nel laboratorio oscuro e un potente laser verde illumina un minuscolo diamante tenuto in posizione sotto un obiettivo del microscopio. Sullo schermo del computer appare un'immagine, una diffusa nuvola di gas punteggiata da punti verde brillante. Questi punti luminosi sono piccoli difetti all'interno del diamante in cui due atomi di carbonio sono sostituiti da un atomo di stagno. La luce laser che li attraversa passa da una tonalità di verde all'altra.
Successivamente, questo diamante sarà raffreddato alla temperatura dell'elio liquido. Controllando la struttura cristallina di un atomo di diamante per atomo, portandolo a pochi gradi sopra lo zero assoluto e applicando un campo magnetico, i ricercatori del Quantum Photonics Laboratory, guidati dal fisico Dirk Englund del MIT, pensano di poter selezionare le proprietà quantomeccaniche di fotoni ed elettroni con tale precisione. che potranno trasferire codici segreti indistruttibili.
Trushheim è uno dei tanti scienziati che stanno cercando di capire quali atomi, racchiusi nei cristalli, in quali condizioni consentiranno loro di ottenere il controllo di questo livello. In effetti, gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di imparare a controllare la natura a livello di atomi e al di sotto, agli elettroni o anche a una frazione di un elettrone. Il loro obiettivo è trovare i nodi che controllano le proprietà fondamentali della materia e dell'energia e stringere o districare questi nodi modificando materia ed energia, per creare computer quantistici super potenti o superconduttori che funzionano a temperatura ambiente.
Questi scienziati devono affrontare due grandi sfide. A livello tecnico, è molto difficile svolgere questo lavoro. Alcuni cristalli, ad esempio, devono essere puri al 99,99999999% in camere a vuoto più pulite dello spazio. Una sfida ancora più fondamentale è che gli effetti quantistici che gli scienziati vogliono frenare, ad esempio la capacità di una particella di trovarsi in due stati contemporaneamente, come il gatto di Schrödinger, compaiono a livello dei singoli elettroni. Nel macrocosmo, questa magia crolla. Di conseguenza, gli scienziati devono manipolare la materia su scala più piccola e sono limitati dai limiti della fisica fondamentale. Il loro successo determinerà come cambierà la nostra comprensione della scienza e delle capacità tecnologiche nei prossimi decenni.
Il sogno di Alchemist
Manipolare la materia, in una certa misura, consiste nel manipolare gli elettroni. Alla fine, il comportamento degli elettroni in una sostanza determina le sue proprietà nel suo insieme: questa sostanza sarà un metallo, un conduttore, un magnete o qualcos'altro. Alcuni scienziati stanno cercando di cambiare il comportamento collettivo degli elettroni creando una sostanza sintetica quantistica. Gli scienziati vedono come “prendiamo un isolante e lo trasformiamo in un metallo o in un semiconduttore e poi in un superconduttore. Possiamo trasformare un materiale non magnetico in uno magnetico ", afferma la fisica Eva Andrew della Rutgers University. "Questo è il sogno di un alchimista che si avvera."
E questo sogno può portare a vere scoperte. Ad esempio, gli scienziati hanno cercato per decenni di creare superconduttori che funzionassero a temperatura ambiente. Con l'aiuto di questi materiali sarebbe possibile realizzare linee elettriche che non sprechino energia. Nel 1957, i fisici John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer hanno dimostrato che la superconduttività si verifica quando gli elettroni liberi in un metallo come l'alluminio si allineano in quelle che vengono chiamate coppie di Cooper. Pur essendo relativamente lontano, ogni elettrone corrispondeva a un altro, con spin e quantità di moto opposti. Come le coppie che ballano in mezzo alla folla in una discoteca, gli elettroni accoppiati si muovono in coordinazione con gli altri, anche se altri elettroni passano tra di loro.
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Questo allineamento consente alla corrente di fluire attraverso il materiale senza incontrare resistenza e quindi senza perdite. I superconduttori più pratici sviluppati fino ad oggi devono essere a temperature appena sopra lo zero assoluto affinché questo stato persista. Tuttavia, potrebbero esserci delle eccezioni.
Recentemente, i ricercatori hanno scoperto che il bombardamento di materiale con un laser ad alta intensità può anche colpire gli elettroni in coppie di Cooper, anche se brevemente. Andrea Cavalleri del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter ad Amburgo, in Germania, ei suoi colleghi hanno trovato segni di superconduttività fotoindotta in metalli e isolanti. La luce che colpisce il materiale fa vibrare gli atomi e gli elettroni entrano brevemente in uno stato di superconduttività. "La scossa deve essere feroce", dice David Esie, un fisico della materia condensata presso il California Institute of Technology, che utilizza la stessa tecnica laser per manifestare effetti quantistici insoliti in altri materiali. "Per un momento, il campo elettrico diventa molto forte, ma solo per un breve periodo."
Codici infrangibili
Il controllo degli elettroni è il modo in cui Trushheim ed Englund hanno deciso di sviluppare una crittografia quantistica indistruttibile. Nel loro caso, l'obiettivo non è quello di modificare le proprietà dei materiali, ma di trasferire le proprietà quantistiche degli elettroni nei diamanti di design a fotoni che trasmettono chiavi crittografiche. I centri di colore dei diamanti nel laboratorio di Englund contengono elettroni liberi, i cui spin possono essere misurati utilizzando un forte campo magnetico. Uno spin che si allinea con il campo può essere chiamato spin 1, uno spin che non si allinea è spin 2, che sarebbe equivalente a 1 e 0 nel bit digitale. "È una particella quantistica, quindi può trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente", afferma Englund. Un bit quantistico, o qubit, è in grado di eseguire molti calcoli contemporaneamente.
È qui che nasce una proprietà misteriosa: l'entanglement quantistico. Immagina una scatola contenente palline rosse e blu. Puoi prenderne uno senza guardare e metterlo in tasca, e poi partire per un'altra città. Quindi tira fuori la palla dalla tasca e scopri che è rossa. Capirai subito che c'è una pallina blu nella scatola. Questa è confusione. Nel mondo quantistico, questo effetto consente la trasmissione delle informazioni istantaneamente e su lunghe distanze.
I centri colorati nel diamante del laboratorio di Englund trasmettono gli stati quantistici degli elettroni che contengono ai fotoni attraverso l'entanglement, creando "qubit volanti", come li chiama Englund. Nelle comunicazioni ottiche convenzionali, un fotone può essere trasmesso a un destinatario - in questo caso, un altro vuoto vuoto in un diamante - e il suo stato quantistico verrà trasferito a un nuovo elettrone, quindi i due elettroni sono legati. La trasmissione di questi bit offuscati consentirà a due persone di condividere la chiave crittografica. "Ognuno ha una serie di zeri e uno, o giri alti e bassi, che sembrano completamente casuali, ma sono identici", dice Englund. Utilizzando questa chiave per crittografare i dati trasmessi, è possibile renderli assolutamente sicuri. Se qualcuno vuole intercettare la trasmissione, il mittente lo saprà,perché l'atto di misurare uno stato quantistico lo cambierà.
Englund sta sperimentando una rete quantistica che invia fotoni in fibra ottica attraverso il suo laboratorio, un oggetto lungo la strada all'Università di Harvard e un altro laboratorio del MIT nella vicina città di Lexington. Gli scienziati sono già riusciti a trasferire chiavi crittografiche quantistiche su lunghe distanze: nel 2017, scienziati cinesi hanno riferito di aver trasferito una chiave del genere da un satellite in orbita terrestre a due stazioni terrestri a 1200 chilometri di distanza nelle montagne del Tibet. Ma il bitrate dell'esperimento cinese era troppo basso per comunicazioni pratiche: gli scienziati hanno registrato solo una coppia confusa su sei milioni. Un'innovazione che renderà pratiche le reti quantistiche crittografiche sulla terra sono i ripetitori quantistici, dispositivi posti a intervalli sulla rete che amplificano il segnale,senza modificare le sue proprietà quantistiche. L'obiettivo di Englund è trovare materiali con difetti atomici adeguati in modo che questi ripetitori quantistici possano essere creati da essi.
Il trucco è creare abbastanza fotoni entangled per trasportare i dati. Un elettrone in un posto vacante sostituito dall'azoto mantiene il suo spin abbastanza a lungo - circa un secondo - il che aumenta le possibilità che la luce laser lo attraversi e produca un fotone entangled. Ma l'atomo di azoto è piccolo e non riempie lo spazio creato dall'assenza di carbonio. Pertanto, i fotoni successivi possono essere di colori leggermente diversi, il che significa che perderanno la loro corrispondenza. Altri atomi, ad esempio lo stagno, aderiscono strettamente e creano una lunghezza d'onda stabile. Ma non saranno in grado di mantenere la rotazione abbastanza a lungo, quindi è in corso il lavoro per trovare il perfetto equilibrio.
Doppie punte
Mentre Englund e altri cercano di far fronte ai singoli elettroni, altri si immergono più in profondità nel mondo quantistico e cercano di manipolare la frazione di elettroni. Questo lavoro ha le sue radici in un esperimento nel 1982, quando gli scienziati dei Bell Laboratories e Lawrence Livermore National Laboratories hanno inserito due strati di diversi cristalli semiconduttori, li hanno raffreddati quasi allo zero assoluto e hanno applicato loro un forte campo magnetico, intrappolando elettroni in un piano tra due strati di cristalli. … Così, si formò una specie di minestra quantistica in cui il movimento di ogni singolo elettrone era determinato dalle cariche che percepiva dagli altri elettroni. "Queste non sono più particelle individuali in sé e per sé", afferma Michael Manfra della Purdue University. "Immagina un balletto in cui ogni ballerino non solo fa i propri passi,ma reagisce anche al movimento di un partner o di altri ballerini. È una specie di risposta generale ".
La cosa strana di tutto questo è che una tale raccolta può avere cariche frazionarie. Un elettrone è un'unità indivisibile, non può essere tagliato in tre parti, ma un gruppo di elettroni nello stato desiderato può produrre una cosiddetta quasiparticella con 1/3 della carica. "È come se gli elettroni venissero divisi", dice Mohammed Hafezi, un fisico del Joint Quantum Institute. "E 'molto strano". Hafezi ha creato questo effetto nel grafene ultrafreddo, uno strato monoatomico di carbonio, e recentemente ha dimostrato di poter manipolare il movimento delle quasiparticelle illuminando il grafene con un laser. "Adesso viene monitorato", dice. “I noduli esterni come i campi magnetici e la luce possono essere manipolati, sollevati o slegati. La natura del cambiamento collettivo sta cambiando ".
La manipolazione di quasiparticelle consente di creare un tipo speciale di qubit: un qubit topologico. La topologia è una branca della matematica che studia le proprietà di un oggetto che non cambiano anche se quell'oggetto è attorcigliato o deformato. Un tipico esempio è una ciambella: se fosse perfettamente elastica, potrebbe essere rimodellata in una tazzina da caffè senza cambiare molto; il foro nella ciambella svolgerà un nuovo ruolo nel foro nel manico della tazza. Tuttavia, per trasformare una ciambella in un pretzel, dovrai aggiungere nuovi fori ad essa, cambiandone la topologia.
Un qubit topologico mantiene le sue proprietà anche in condizioni mutevoli. Di solito, le particelle cambiano i loro stati quantistici, o "decohere", quando qualcosa nel loro ambiente è disturbato, come piccole vibrazioni causate dal calore. Ma se crei un qubit da due quasiparticelle separate da una certa distanza, diciamo, alle estremità opposte di un nanofilo, stai essenzialmente dividendo un elettrone. Entrambe le metà dovrebbero subire la stessa violazione per staccarsi, il che è improbabile.
Questa proprietà rende i qubit topologici attraenti per i computer quantistici. A causa della capacità di un qubit di trovarsi in una sovrapposizione di molti stati contemporaneamente, i computer quantistici devono essere in grado di eseguire calcoli che sono praticamente impossibili senza di loro, ad esempio, per simulare il Big Bang. Manfra sta essenzialmente cercando di costruire computer quantistici da qubit topologici in Microsoft. Ma esistono anche approcci più semplici. Google e IBM stanno essenzialmente cercando di costruire computer quantistici da fili super raffreddati che diventano semiconduttori, o atomi ionizzati in una camera a vuoto, tenuti insieme da laser. Il problema con questi approcci è che sono più sensibili ai cambiamenti ambientali rispetto ai qubit topologici, soprattutto se il numero di qubit cresce.
Pertanto, i qubit topologici possono rivoluzionare la nostra capacità di manipolare piccole cose. Tuttavia, c'è un problema significativo: non esistono ancora. I ricercatori stanno lottando per crearli dalle cosiddette particelle di Majorana. Proposta da Ettore Majorana nel 1937, questa particella è la sua stessa antiparticella. L'elettrone e la sua antiparticella, il positrone, hanno proprietà identiche, a parte la carica, ma la carica della particella di Majorana sarà zero.
Gli scienziati ritengono che alcune configurazioni di elettroni e lacune (senza elettroni) possano comportarsi come particelle di Majorana. A loro volta, possono essere utilizzati come qubit topologici. Nel 2012, il fisico Leo Kouvenhoven della Delft University of Technology nei Paesi Bassi ei suoi colleghi hanno misurato quelle che pensavano fossero particelle di Majorana in una rete di nanofili superconduttori e semiconduttori. Ma l'unico modo per dimostrare l'esistenza di queste quasiparticelle è creare un qubit topologico basato su di esse.
Altri esperti in questo settore sono più ottimisti. "Penso che senza domande qualcuno un giorno creerà un qubit topologico, solo per divertimento", dice Steve Simon, un teorico della materia condensata all'Università di Oxford. "L'unica domanda è se possiamo farne il computer quantistico del futuro".
I computer quantistici, così come i superconduttori ad alta temperatura e la crittografia quantistica indistruttibile, potrebbero apparire tra molti anni o mai più. Ma allo stesso tempo, gli scienziati stanno cercando di decifrare i misteri della natura su scala più piccola. Finora nessuno sa fino a che punto possono arrivare. Più in profondità penetriamo nei componenti più piccoli del nostro universo, più ci spingono fuori.
Ilya Khel
