ฉันกลับมาจากการเดินทางไปวอเตอร์ลู รัฐออนแทรีโอ “หุบเขาควอนตัม” ของแคนาดา – แต่ยังมีอะไรอีกมากที่จะบอกเล่า ภาพด้านบน ซึ่งพาฉันไปเยี่ยมชมห้องทดลองของเขาเมื่อต้นสัปดาห์นี้ ยืนอยู่ข้างเครื่องรับควอนตัม ซึ่งเขาและเพื่อนร่วมงานกำลังจะขึ้นรถปิกอัพและขับไปรอบๆ เมืองวอเตอร์ลูในไม่ช้า แผนคือการรับการสื่อสารด้วยควอนตัมจากแหล่งกำเนิดแสงที่อยู่บนหลังคาของอาคารแห่งหนึ่ง
เป้าหมายสูงสุด
ของการวิจัยคือการปรับใช้ตัวรับควอนตัม (และตัวส่ง) ในอวกาศเพื่อสร้างเครือข่ายการสื่อสารควอนตัมทั่วโลก ซึ่งสร้างระบบสำหรับการวัดความสัมพันธ์ระหว่างเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว การวัดความสัมพันธ์ดังกล่าวมีความสำคัญต่อการนำแผนการเข้ารหัสแบบควอนตัมไปใช้และการพัฒนาวงจรออปติก
สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม เมื่อฉันอยู่ที่ IQC ฉันได้พูดคุยกับผู้เชี่ยวชาญสองคนเกี่ยวกับการเข้ารหัสควอนตัมและอัลกอริทึมควอนตัม เหลียงกับฉันพูดคุยกันเกี่ยวกับผลกระทบที่การเข้ารหัสด้วยควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจมีต่อความปลอดภัยของข้อมูล เป็นสถานการณ์ข่าวดี/ข่าวร้ายตามปกติ
ในด้านลบ คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงจะทำให้การแคร็กระบบแบบดั้งเดิมที่ใช้ในการเข้ารหัสข้อมูลในทุกวันนี้สั้นลง อย่างไรก็ตาม การเข้ารหัสแบบควอนตัมไม่สามารถถูกแฮ็กได้ แม้จะใช้คอมพิวเตอร์แบบควอนตัม ดังนั้นทางออกจึงอยู่ในมือ และโชคดีสำหรับคนที่มีความลับ
แม้ว่าจะต้องทำงานอีกมากก่อนที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสามารถถอดรหัสรหัสได้ (ด้านบน) ซึ่งเป็นผู้ร่วมก่อตั้ง IQC บอกฉันว่าในปัจจุบันไม่มีเหตุผลที่จะต้องมองโลกในแง่ร้ายเกี่ยวกับการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม เนื่องจากเทคโนโลยีที่จำเป็นได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว
เขาเชื่อว่าถึงเวลาแล้วที่จะเริ่มสร้างคอมไพเลอร์สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม ทุกวันนี้ เป็นเรื่องยากมากที่จะเชื่อมต่อควอนตัมบิต (qubits) มากกว่าหยิบมือเพื่อสร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัม ดังนั้น จึงเชื่อว่าการสร้างคอมไพเลอร์ที่ทำให้อัลกอริทึมควอนตัมคอมพิวเตอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพบนระบบจริงนั้น
สำคัญมาก
ระบบการเข้ารหัสควอนตัมที่ใช้งานได้จริงมีอยู่แล้ว ในขณะที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานจริงไม่มี ฟิลลิปส์และเพื่อนร่วมงานของ NIST กำลังสำรวจวิธีอื่นๆ เพื่อจัดการกับอะตอมเดี่ยว ในการทดลองหนึ่ง พวกเขาได้บรรจุอะตอมลงในไซต์ที่สามทุกแห่งในแลตทิซโดยการวางสิ่งที่เรียกว่าซูเปอร์แลตทิซ
ไว้บนรูปแบบแลตทิซปกติ ระยะห่างที่เพิ่มขึ้นระหว่างอะตอมควรทำให้สามารถใช้เลเซอร์ที่โฟกัสเพื่อจัดการกับอะตอมเดี่ยวได้ ทีมเดียวกันยังได้เปลี่ยนระยะห่างของตาข่ายด้วยการควบคุมมุมที่ลำแสงเลเซอร์รบกวน ใน “หีบเพลงหีบเพลง” เราสามารถเปลี่ยนจากระยะห่างระหว่างตาข่ายเล็ก ๆ
เป็นระยะห่างระหว่างตาข่ายขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็วเพื่อระบุอะตอมในตาข่าย ในตะแกรงออปติกความก้าวหน้าที่น่าทึ่งในด้านของก๊าซ ที่เสื่อมสภาพในปัจจุบันทำให้มีความเป็นไปได้ในการบรรจุก๊าซเฟอร์มิโอนิกที่เย็นจัดเป็นพิเศษลงในตาข่ายออปติก ตัวอย่างเช่น ปีที่แล้ว และเพื่อนร่วมงาน
ที่มหาวิทยาลัยฟลอเรนซ์ ประเทศอิตาลี ได้ศึกษาคุณสมบัติการเคลื่อนย้ายที่แปลกประหลาดของโบซอนและในศักยภาพเป็นระยะ ที่นี่ ก๊าซควอนตัมเฟอร์มิโอนิกเย็นถูกแทนที่เล็กน้อยจากศักยภาพในการดักจับด้วยแสง ทีมงานของฟลอเรนซ์ได้แสดงให้เห็นว่าเฟอร์มิออนที่ไม่ทำปฏิกิริยา
ไม่สามารถรองรับกระแสไฟตรงได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่คาดหวังได้จากคุณสมบัติการชนกันแบบพิเศษของพวกมัน และนำไปสู่การตรึงอะตอมไว้ที่ตำแหน่งแทนที่เฉพาะที่ของพวกมัน อย่างไรก็ตาม ด้วยการเพิ่มส่วนผสมเล็กน้อยของอนุภาคโบโซน เมฆอะตอมเฟอร์มิโอนิกจะคลายตัวไปทางศูนย์กลาง
ของกับดัก
เนื่องจากการชนกันระหว่างโบซอนและเฟอร์มิออนในขณะเดียวกัน และเพื่อนร่วมงาน ได้ชี้ให้เห็นว่าก๊าซ ที่เสื่อมสภาพในตะแกรงออปติคัลที่มีมิติสูงกว่านั้นสามารถนำมาใช้เพื่อตรวจสอบความเป็นของเหลวยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงได้ สิ่งนี้อาจชี้ให้เห็นได้ว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงมีอยู่ใน
“แบบจำลองฮับบาร์ด” หรือไม่ ซึ่งอธิบายถึงพฤติกรรมของเฟอร์มิออนที่มีปฏิสัมพันธ์ในช่วงเวลาที่มีศักยภาพ ระบบที่ไม่ซ้ำใครอะตอม ในโครงตาข่ายแสงมีศักยภาพที่จะส่งผลกระทบต่อฟิสิกส์ในวงกว้าง ไม่เพียงแต่สามารถใช้เป็นเครื่องจำลองควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสำหรับปัญหาในฟิสิกส์
ของสสารควบแน่นเท่านั้น แต่ดูเหมือนว่าระดับการควบคุมที่ไม่เหมือนใครซึ่งมีอยู่ในระบบเหล่านี้จะช่วยให้มั่นใจได้ในฟิสิกส์อะตอมและเลนส์ควอนตัม ตัวอย่างเช่น การลงทะเบียนควอนตัมขนาดใหญ่ที่จัดทำโดยฉนวน Mott นำเสนอความเป็นไปได้ที่ไม่เหมือนใครสำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัม
แม้ว่าเรายังจำเป็นต้องพัฒนาวิธีในการจัดการกับอะตอมเดี่ยว ความท้าทายที่สำคัญอีกประการหนึ่งยังคงอยู่ในการออกแบบเฟสควอนตัมหลายตัวแบบใหม่ และการรวมโครงร่างแบบออปติกเข้ากับการควบแน่นของโมเลกุลที่สังเกตได้เมื่อเร็วๆ นี้ซึ่งทำจากคู่อะตอมเฟอร์มิโอนิก การรวมกันแบบพิเศษนี้
จะช่วยให้เราสามารถสำรวจระบบร่างกายหลายส่วนที่เป็นพื้นฐานที่สุดในฟิสิกส์ของสสารควบแน่นได้ ความเข้าใจและความสามารถในการควบคุมระบบควอนตัมของเราไม่เคยดีเท่านี้มาก่อน ในทางตรงกันข้าม ฉันเชื่อในวิสัยทัศน์ของการศึกษาฟิสิกส์ที่สามารถสื่อสารกับคนส่วนใหญ่ถึงความตื่นเต้น
ของฟิสิกส์ได้ ไม่ว่าจะเป็นสาเหตุของสายรุ้งหรือภาพง่ายๆ ที่แสดงถึงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสสาร คนหนุ่มสาวมีสิทธิที่จะได้รับความรู้ที่ทรงพลังเช่นนี้ สิ่งสำคัญพอๆ กับสิ่งที่เรารู้ ซึ่งเป็นจุดเน้นอย่างท่วมท้นของหลักสูตรแห่งชาติ ก็คือวิธีที่เรารู้สิ่งที่เรารู้ ถามครูวิทยาศาสตร์กลุ่มใดก็ได้ว่าเรารู้ได้อย่างไร
