कितना मुश्किल है यह विजय प्राप्त करने के लिए क्वांटम प्रकृति की बात है?

मैट Trusheim भी शामिल है एक स्विच के साथ एक प्रयोगशाला है, और शक्तिशाली ग्रीन लेजर illuminates एक छोटे से हीरे की जगह में आयोजित किया, के लेंस के तहत एक माइक्रोस्कोप है । कंप्यूटर स्क्रीन पर प्रकट होता है एक छवि का एक फैलाना गैस बादल के साथ बिंदीदार, उज्ज्वल हरे रंग के धब्बे. इन स्थानों — छोटे दोष के अंदर हीरा, जिसमें दो कार्बन परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित एक परमाणु के टिन । लेजर प्रकाश गुजर रहा है, उन के माध्यम से गुजरता है के साथ एक हरे रंग की छाया दूसरे करने के लिए.

के बाद, हीरा है ठंडा करने के लिए तापमान के तरल हीलियम. को नियंत्रित करने क्रिस्टलीय संरचना के हीरे के परमाणु से परमाणु लाने, यह करने के लिए कुछ डिग्री निरपेक्ष शून्य से ऊपर है और एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करने, शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला से फोटोनिक्स के क्वांटम भौतिकी के मार्गदर्शन के तहत के डिर्क Englund एमआईटी में लगता है कि वे कर सकते हैं के साथ इस तरह की सटीकता का चयन करने के लिए क्वांटम यांत्रिक गुणों की फोटॉनों और इलेक्ट्रॉनों है कि वे करने में सक्षम हो जाएगा पारित uncrackable गुप्त कोड है ।

Trusheim — एक के कई जो वैज्ञानिकों की कोशिश कर रहे हैं बाहर आंकड़ा करने के लिए जो परमाणुओं में संलग्न हैं क्रिस्टल, क्या शर्तों के तहत अनुमति देगा उन्हें नियंत्रित करने के लिए इस स्तर पर । वास्तव में, दुनिया भर के वैज्ञानिकों की कोशिश कर रहे हैं जानने के लिए कैसे नियंत्रित करने के लिए प्रकृति के स्तर पर परमाणु और नीचे करने के लिए, इलेक्ट्रॉन, या यहां तक कि एक अंश के एक इलेक्ट्रॉन. अपने लक्ष्य को खोजने के लिए है कि नोड्स नियंत्रण मौलिक गुण के पदार्थ और ऊर्जा, और कस या सुलझाना उन समुद्री मील बदल रहा है, पदार्थ और ऊर्जा बनाने के लिए एक भारी शुल्क क्वांटम कंप्यूटर या अतिचालक काम है कि कमरे के तापमान पर.

इन वैज्ञानिकों के साथ सामना कर रहे हैं दो मुख्य समस्याएं है । तकनीकी स्तर पर बाहर ले जाने के लिए इस तरह के काम बहुत मुश्किल है. कुछ क्रिस्टल, उदाहरण के लिए, किया जाना चाहिए 99,99999999% शुद्ध में निर्वात कक्षों क्लीनर अंतरिक्ष. अभी भी एक और अधिक मौलिक समस्या यह है कि क्वांटम प्रभाव है, जो चाहते हैं पर लगाम लगाने के लिए वैज्ञानिकों — उदाहरण के लिए, की क्षमता का एक कण किया जा करने के लिए दो राज्यों में एक ही समय में, तरह श्रोडिंगर बिल्ली प्रकट कर रहे हैं के स्तर पर अलग-अलग इलेक्ट्रॉनों है. जहान में, जादू गिर. इसलिए, वैज्ञानिकों में हेरफेर करने के मामले में छोटी से छोटी तराजू और वे कर रहे हैं द्वारा सीमित सीमा के मौलिक भौतिकी है । उनकी सफलता पर निर्भर करता है यह कैसे बदल जाएगा के बारे में हमारी समझ को विज्ञान और तकनीकी क्षमताओं में आने वाले दशकों के लिए.

का सपना कीमियागर

हेरफेर के एक पदार्थ के लिए एक निश्चित सीमा तक है, को नियंत्रित करने के लिए इलेक्ट्रॉनों है. अंत में, व्यवहार में इलेक्ट्रॉनों की एक पदार्थ उसके गुण निर्धारित करता है एक पूरे के रूप में — यह पदार्थ एक धातु, एक कंडक्टर, एक चुंबक, या कुछ और. कुछ वैज्ञानिकों की कोशिश कर रहे हैं बदलने के लिए सामूहिक व्यवहार के इलेक्ट्रॉनों का निर्माण, एक क्वांटम सिंथेटिक पदार्थ. वैज्ञानिकों देखें कैसे "हम ले इन्सुलेटर और यह बारी में एक धातु या अर्धचालक, और फिर superconductor है । हम बारी कर सकते हैं गैर-चुंबकीय सामग्री चुंबकीय" कहते हैं वैज्ञानिक ईवा आंद्रेई Rutgers विश्वविद्यालय से. "सपना कीमियागर".

और इस सपने का नेतृत्व कर सकते हैं के लिए असली सफलताओं. उदाहरण के लिए, वैज्ञानिकों दशकों के लिए बनाने की कोशिश की है अतिचालक काम है कि कमरे के तापमान पर. इन सामग्रियों का उपयोग कर सकता है बनाने के लिए लाइनों में नहीं, और ऊर्जा को खोने. 1957 में, भौतिकविदों John Bardeen, लियोन कूपर और जॉन रॉबर्ट Shiffer का प्रदर्शन किया है कि अतिचालकता प्रकट होता है जब इलेक्ट्रॉनों में धातु जैसे एल्यूमीनियम में भी तथाकथित कूपर जोड़े । यहां तक कि अपेक्षाकृत जा रहा है दूर दूर से, प्रत्येक मैच के लिए अन्य इलेक्ट्रॉन होने के विपरीत स्पिन और गति. जोड़ों की तरह नृत्य भीड़ में, डिस्को में बनती इलेक्ट्रॉनों ले जाने के साथ समन्वय में दूसरों को, यहां तक कि अगर अन्य इलेक्ट्रॉनों कर रहे हैं उन दोनों के बीच ।

इस संरेखण की अनुमति देता है, वर्तमान प्रवाह करने के लिए सामग्री के माध्यम से प्रतिरोध के बिना, और इसलिए बिना किसी नुकसान के. सबसे व्यावहारिक अतिचालक विकसित तिथि करने के लिए होना चाहिए, एक के तापमान पर थोड़ा निरपेक्ष शून्य से ऊपर के लिए इस राज्य में संरक्षित किया गया था. हालांकि, .

हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने पाया है कि obstrelivanii सामग्री उच्च तीव्रता लेजर भी कब्जा कर सकते हैं इलेक्ट्रॉनों में एक कूपर जोड़ी, यद्यपि संक्षेप में । एंड्रिया Cavalleri के लिए संस्थान से संरचना और गतिशीलता के मामले में मैक्स प्लैंक हैम्बर्ग, जर्मनी में, और उनके सहयोगियों ने पाया संकेत के photoinduced अतिचालकता में धातुओं और insulators. प्रकाश हड़ताली सामग्री का कारण बनता परमाणुओं में कंपन करने के लिए, और इलेक्ट्रॉन संक्षेप में प्रवेश करती है के एक राज्य अतिचालकता. "हिला-अप होना चाहिए," डेविड कहते हैं ईएसआई, भौतिक विज्ञानी के संघनित पदार्थ कैलटेक में उपयोग करता है, जो एक ही लेजर तकनीक की अभिव्यक्ति के लिए असामान्य क्वांटम प्रभाव में अन्य सामग्री. "एक पल के लिए बिजली के क्षेत्र में बहुत मजबूत हो जाता है — लेकिन केवल एक कम समय के लिए."

Uncrackable कोड

के प्रबंधन इलेक्ट्रॉन — कि कैसे Trusheim और Englund को विकसित करने का इरादा uncrackable क्वांटम एन्क्रिप्शन. उनके मामले में उद्देश्य नहीं है बदलने के लिए सामग्री के गुणों, लेकिन हस्तांतरण करने के लिए क्वांटम गुण में इलेक्ट्रॉनों की डिजाइनर हीरे फोटॉनों, जो संचारित क्रिप्टोग्राफिक कुंजी है । रंग में केन्द्रों के हीरे प्रयोगशाला में Englund स्थित मुफ्त इलेक्ट्रॉनों, spins जो मापा जा सकता है का उपयोग कर एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र है. स्पिन, जो है के साथ गठबंधन, क्षेत्र कहा जा सकता है एक स्पिन-1 स्पिन, जो गठबंधन नहीं है, स्पिन — 2 हो जाएगा कि बराबर करने के लिए 1 और 0 में डिजिटल बिट. "यह एक क्वांटम कण है, तो यह किया जा सकता में दोनों राज्यों में एक साथ," कहते हैंEnglund. क्वांटम बिट, या qubit, प्रदर्शन करने में सक्षम है कई गणना के साथ-साथ ।

यहाँ आता है रहस्यमय संपत्ति की क्वांटम उलझन है । कल्पना कीजिए एक बॉक्स युक्त लाल और नीले रंग की गेंदों. आप कर सकते हैं ले एक के बिना देख रहे हैं और उसकी जेब में डाल दिया, और फिर दूसरे शहर में जाना है । तो बल्ब निकाल जेब से और पता चलता है कि यह लाल है । आप जानते हैं कि क्या बॉक्स में छोड़ दिया है नीले रंग की गेंद. इस भ्रम की स्थिति है. में क्वांटम दुनिया, इस प्रभाव की अनुमति देता है आप जानकारी संचारित करने के लिए तुरंत और बड़ी दूरी पर है ।

रंग केन्द्रों में हीरे प्रयोगशाला में Englund संचारित क्वांटम राज्य के इलेक्ट्रॉनों में संलग्न है, उन्हें फोटॉनों द्वारा मतलब है के उलझाव पैदा कर, "उड़ान qubits" के रूप में वे कॉल Englund. साधारण ऑप्टिकल संचार, फोटॉन हस्तांतरित किया जा सकता है प्राप्तकर्ता के लिए — इस मामले में, अन्य खाली शून्य में हीरा और इसकी क्वांटम राज्य से स्थानांतरित कर दिया जाएगा करने के लिए नए इलेक्ट्रॉन, तो दो इलेक्ट्रॉनों बाध्य किया जाएगा. हस्तांतरण के इस तरह के जटिल बिट्स की अनुमति होगी, दो लोगों को साझा करने के लिए एक क्रिप्टोग्राफिक कुंजी है । "हर कोई एक स्ट्रिंग शून्य और लोगों की है, या ऊपरी और निचले spins लगते हैं, जो पूरी तरह से यादृच्छिक है, लेकिन वे समान हैं," कहते हैं Englund. का उपयोग कर इस कुंजी एन्क्रिप्ट करने के लिए प्रेषित डेटा, यह संभव है बनाने के लिए उन्हें पूरी तरह से सुरक्षित है । अगर किसी को चाहता है, अवरोधन करने के लिए संचरण, प्रेषक के बारे में पता चल जाएगा, क्योंकि यह कार्य को मापने के एक क्वांटम राज्य से बदल जाएगा.

Englund के साथ प्रयोग क्वांटम नेटवर्क भेजता है, जो फोटॉनों के माध्यम से ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से अपनी प्रयोगशाला की सुविधा से सड़क के नीचे हार्वर्ड विश्वविद्यालय और एक और प्रयोगशाला में एमआईटी के पड़ोसी शहर में Lexington. वैज्ञानिकों ने पहले से ही सफल रहा है के संचरण में क्वांटम क्रिप्टोग्राफिक कुंजी लंबी दूरी पर — 2017 में, चीनी वैज्ञानिकों ने घोषणा की है कि वे इस तरह के एक कुंजी के उपग्रह पृथ्वी की कक्षा में दो पर जमीन स्टेशनों 1200 मील की दूरी पर एक दूसरे से दूर तिब्बत के पहाड़ों में है । लेकिन बिटरेट चीनी का प्रयोग बहुत कम था के लिए व्यावहारिक संचार: वैज्ञानिकों दर्ज की गई है केवल एक भ्रामक कुछ के छह लाख है । नवाचार करना होगा कि एक क्वांटम क्रिप्टोग्राफिक नेटवर्क के लिए पृथ्वी व्यावहारिक — क्वांटम repeaters, कर रहे हैं कि उपकरणों पर तैनात अंतराल में नेटवर्क है, जो संकेत बढ़ाना बदलने के बिना अपनी क्वांटम गुण है । Englund लक्ष्य है खोजने के लिए सामग्री के साथ उपयुक्त परमाणु दोष करने के लिए सक्षम होना करने के लिए बनाने के लिए इन क्वांटम repeaters.

करने के लिए चाल है बनाने के लिए पर्याप्त फोटॉनों उलझ डेटा स्थानांतरित करने के लिए. इलेक्ट्रॉन में attonement नौकरियों को बनाए रखता है अपनी स्पिन लंबे समय पर्याप्त है — एक दूसरे के बारे में — जो संभावना बढ़ जाती है कि लेजर प्रकाश के माध्यम से इसे पारित और उत्पादन एक पेचीदा फोटॉन. लेकिन नाइट्रोजन परमाणु छोटा है और नहीं करता है, स्थान को भरने के द्वारा बनाई गई के अभाव कार्बन. इसलिए, सुसंगत फोटॉनों किया जा सकता है अलग अलग रंग में थोड़ा है, और इसलिए मैच हार है । अन्य परमाणुओं, टिन, उदाहरण के लिए, का पालन करने के लिए मजबूती से, और बनाने के लिए एक स्थिर तरंग दैर्ध्य है । लेकिन वे नहीं रख सकते हैं स्पिन के काफी लंबे समय से है — इसलिए, काम करने के लिए एकदम सही संतुलन है ।

विभाजन समाप्त होता है

जबकि Englund और दूसरों की कोशिश कर रहे हैं से निपटने के लिए अलग-अलग इलेक्ट्रॉनों है, जबकि दूसरों में गहरा गोता क्वांटम दुनिया और कोशिश कर रहा में हेरफेर करने के लिए पहले से ही शेयरों इलेक्ट्रॉनों है. इस काम में निहित है, एक प्रयोग 1982 में, जब वैज्ञानिकों से बेल लैब्स और राष्ट्रीय प्रयोगशाला लॉरेंस लिवरमोर एक सैंडविच की दो परतों के अलग-अलग अर्धचालक क्रिस्टल, ठंडा उन्हें लगभग निरपेक्ष शून्य करने के लिए और उन्हें लागू करने के लिए एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र, encasing इलेक्ट्रॉनों विमान में दो परतों के बीच की क्रिस्टल. यह एक प्रकार का गठन किया क्वांटम सूप में जो प्रस्ताव के किसी भी व्यक्ति इलेक्ट्रॉन द्वारा निर्धारित किया जाता है आरोप है, जो उन्होंने महसूस किया दूसरे से इलेक्ट्रॉन. "यह नहीं है व्यक्तिगत कणों के लिए खुद को कहते हैं," माइकल Manfra पर्ड्यू विश्वविद्यालय से. "कल्पना कीजिए एक बैले में जो प्रत्येक नर्तकी बनाता है न केवल अपने स्वयं के पीए, लेकिन यह भी करने के लिए जवाब आंदोलन के एक साथी या अन्य नर्तकियों के साथ. इस तरह के एक सामान्य जवाब है."

में अजीब बात यह है कि इस तरह के संग्रह किया जा सकता है आंशिक प्रभार । इलेक्ट्रॉन एक अविभाज्य इकाई है, यह कटौती नहीं होगी तीन टुकड़ों में है, लेकिन समूह में इलेक्ट्रॉनों की सही हालत का उत्पादन कर सकते हैं तथाकथित अर्ध-कण के साथ 1/3 आरोप है । "अगर इलेक्ट्रॉनों कर रहे हैं भागों में विभाजित है," कहते हैं, मोहम्मद Hafezi, एक भौतिक विज्ञानी से संयुक्त क्वांटम संस्थान है. "यह बहुत अजीब है।" Hafezi बनाई गई इस प्रभाव में sverigeleden graphene, एक monoatomic कार्बन की परत, और हाल ही में पता चला है कि वह हेरफेर कर सकते हैं आंदोलन की quasiparticles रोशन, graphene एक लेजर के साथ । "अब इसे नियंत्रित किया जाता है," वह कहते हैं । "बाहरी पिंड, जैसे चुंबकीय क्षेत्र और प्रकाश कर सकते हैं चालाकी से किया जा करने के लिए खींच या भंग. बदलने की सामूहिक प्रकृति के परिवर्तन".

हेरफेर के quasiparticles आप की अनुमति देगा बनाने के लिए विशेष प्रकार के qubit और topological qubit. टोपोलॉजी एक क्षेत्र है कि गणित के अध्ययन के गुणों को एक चीज है कि परिवर्तन नहीं करते हैं, भले ही वस्तु के मुड़ जाता है या विकृत है । मानक उदाहरण है डोनट: अगर यह पूरी तरह से लोचदार है, यह हो सकता है नए सिरे से परिभाषित में एक कप कॉफी, कुछ भी नहीं सच में बदल रहा है; डोनट में छेद जाएगा खेलने में एक नई भूमिका संभाल में छेद के कप. हालांकि, बारी करने के लिए एक डोनट में एक प्रकार की रोटी जोड़ने के लिए होगा, नए छेद, बदल टोपोलॉजी है.

Topological qubit अपने गुण रखता है के तहत भी अलग-अलग स्थिति है । आमतौर पर, कणों के परिवर्तन उनके क्वांटम राज्य, या "decoherent" जब एक उल्लंघन के कुछ अपने वातावरण में,छोटा सा कंपन के कारण गर्मी है । लेकिन अगर आप एक qubit के दो अर्ध-कणों द्वारा अलग कुछ दूरी है, कहते हैं, के विपरीत छोर पर nanowires, आप मूल रूप से टुकड़े टुकड़े इलेक्ट्रॉन. दोनों "हिस्सों" अनुभव करने के लिए होगा एक ही उल्लंघन के लिए decoderesult, और यह संभावना नहीं है कि होगा.

इस संपत्ति बनाता है topological qubits के लिए आकर्षक हैं क्वांटम कंप्यूटर । की वजह से क्षमता का एक qubit में होना करने के लिए एक superposition के कई राज्यों के साथ-साथ, क्वांटम कंप्यूटर के लिए सक्षम होना चाहिए उत्पादन लगभग असंभव है उनके बिना की गणना, उदाहरण के लिए, अनुकरण करने के लिए । मंत्र, वास्तव में कोशिश कर रहा है, बनाने के लिए क्वांटम कंप्यूटर के topological में qubits Microsoft. लेकिन वहाँ और अधिक कर रहे हैं सरल दृष्टिकोण है । गूगल और आईबीएम, वास्तव में कोशिश कर रहा है, बनाने के लिए क्वांटम कंप्यूटर के आधार पर शीतल तारों के बनने कि अर्धचालक या आयनित परमाणुओं में एक निर्वात चैम्बर में आयोजित पराबैंगनीकिरण. इन के साथ समस्या दृष्टिकोण है कि वे कर रहे हैं और अधिक संवेदनशील पर्यावरण परिवर्तन के लिए की तुलना में topological qubits, खासकर अगर qubits की संख्या बढ़ती है.

इस प्रकार, topological qubit नेतृत्व कर सकते हैं के लिए एक क्रांति की क्षमता में हेरफेर करने के लिए छोटी चीजें है । हालांकि, वहाँ एक महत्वपूर्ण समस्या है: वे अभी तक अस्तित्व में नहीं है । शोधकर्ताओं ने संघर्ष कर रहे हैं बनाने के लिए उनमें से तथाकथित Majorana कणों. प्रस्तावित Ettore Majorana 1937 में, यह कण अपने स्वयं के antiparticle. इलेक्ट्रॉन और इसके antiparticle, पोजीट्रान समान गुणों के लिए छोड़कर चार्ज, लेकिन चार्ज के एक Majorana कण शून्य के बराबर है.

वैज्ञानिकों का मानना है कि कुछ विन्यास के इलेक्ट्रॉनों और छेद (के अभाव इलेक्ट्रॉनों) कर सकते हैं के रूप में व्यवहार Majorana कणों. वे, बारी में, कर सकते हैं के रूप में इस्तेमाल किया topological qubits. 2012 में, भौतिकशास्त्री लियो Kouwenhoven से प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय डेल्फ़्ट, नीदरलैंड में और उनके सहयोगियों मापा क्या उन्हें लग रहा था होना करने के लिए Majorana कणों के एक नेटवर्क में अतिचालक और semiconducting nanowires. लेकिन एक ही तरीका साबित करने के लिए मौजूद करने के लिए इन quasiparticles हो जाएगा बनाने के लिए एक topological qubit उन पर आधारित है ।

अन्य विशेषज्ञों का इस क्षेत्र में अधिक आशावादी हैं. "मुझे लगता है कि किसी भी मुद्दे के बिना एक दिन किसी को बनाने के लिए एक topological qubit, सिर्फ मनोरंजन के लिए कहते हैं," स्टीव साइमन, एक विचारक के सघन सामग्री ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय में है. "केवल सवाल यह है कि हम करने में सक्षम हो जाएगा बनाने के लिए उन्हें क्वांटम कंप्यूटर का भविष्य है."

क्वांटम कंप्यूटर के रूप में अच्छी तरह के रूप में उच्च तापमान अतिचालक और uncrackable क्वांटम एन्क्रिप्शन — हो सकता है कई वर्षों के बाद, या नहीं दिखाई देते हैं कभी नहीं. लेकिन एक ही समय में, वैज्ञानिकों की कोशिश कर रहे हैं समझने के लिए प्रकृति के रहस्यों पर छोटी से छोटी तराजू. जबकि कोई नहीं जानता कि कितनी दूर तक वे सक्षम हो जाएगा जाने के लिए । गहरी हम में घुसना छोटी से छोटी घटकों के हमारे ब्रह्मांड में, वे और अधिक धक्का दिया है.