Brytyjscy naukowcy Michael Kosterlitz, David Thouless i Duncan Haldane otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za teoretyczne odkrycia topologicznych przejść fazowych i topologicznych faz materii”. Słowa „odkrycia teoretyczne” budzą wątpliwości, czy ich praca będzie miała jakiekolwiek praktyczne zastosowanie lub może wpłynąć na nasze życie w przyszłości. Ale może się okazać, że wszystko jest odwrotnie.
Aby zrozumieć potencjał tego odkrycia, pomocne będzie zrozumienie tej teorii. Większość ludzi wie, że w atomie znajduje się jądro i że wokół niego krążą elektrony. Odpowiada to różnym poziomom energii. Kiedy atomy grupują się i tworzą jakąś materię, wszystkie poziomy energii każdego atomu łączą się, tworząc strefy elektronów. Każde tak zwane pasmo energii elektronów ma miejsce na określoną liczbę elektronów. Pomiędzy każdą strefą są luki, w których elektrony nie mogą się poruszać.
Jeśli do materiału zostanie przyłożony ładunek elektryczny (strumień dodatkowych elektronów), o jego przewodnictwie decyduje to, czy w strefie elektronów o największej energii jest miejsce na nowe elektrony. Jeśli tak, materiał będzie zachowywał się jak przewodnik. Jeśli nie, potrzebna jest dodatkowa energia, aby popchnąć przepływ elektronów do nowej, pustej strefy. W rezultacie ten materiał będzie zachowywał się jak izolator. Przewodnictwo ma kluczowe znaczenie dla elektroniki, ponieważ komponenty, takie jak przewodniki, półprzewodniki i dielektryki, stanowią rdzeń jej produktów.
Przewidywania Kosterlitza, Thoulessa i Haldane'a w latach 70. i 80. są takie, że niektóre materiały nie są zgodne z tą zasadą. Niektórzy inni teoretycy również popierają ich punkt widzenia. Zasugerowali, że zamiast luk między strefami elektronów, w których ich nie ma, istnieje specjalny poziom energii, na którym możliwe są różne i bardzo nieoczekiwane rzeczy.
Ta właściwość istnieje tylko na powierzchni i na krawędziach takich materiałów i jest niezwykle wytrzymała. W pewnym stopniu zależy to również od kształtu materiału. W fizyce nazywa się to topologią. W materiale w kształcie kuli lub na przykład jajka te właściwości lub cechy są identyczne, ale w pączku różnią się dziurą w środku. Pierwsze pomiary takich charakterystyk zostały wykonane przez prąd wzdłuż granicy płaskownika.
Właściwości takich materiałów topologicznych mogą być niezwykle przydatne. Na przykład prąd elektryczny może płynąć po ich powierzchni bez żadnego oporu, nawet gdy urządzenie jest lekko uszkodzone. Nadprzewodniki robią to nawet bez właściwości topologicznych, ale mogą pracować tylko w bardzo niskich temperaturach. Oznacza to, że duża ilość energii może być wykorzystana tylko w chłodzonym przewodniku. Materiały topologiczne mogą robić to samo w wyższych temperaturach.
Ma to ważne konsekwencje dla pracy wspomaganej komputerowo. Większość energii zużywanej obecnie przez komputery trafia do wentylatorów w celu obniżenia temperatury spowodowanej oporem w obwodach. Eliminując ten problem z ogrzewaniem, komputery mogą być znacznie bardziej energooszczędne. Na przykład doprowadzi to do znacznej redukcji emisji dwutlenku węgla. Ponadto będzie można wykonać baterie o znacznie dłuższej żywotności. Naukowcy rozpoczęli już eksperymenty z materiałami topologicznymi, takimi jak tellurek kadmu i tellurek rtęci, aby zastosować tę teorię w praktyce.
Ponadto możliwe są istotne przełomy w komputerach kwantowych. Klasyczne komputery kodują dane, przykładając napięcie do mikroukładu lub nie. W związku z tym komputer interpretuje to jako 0 lub 1 dla każdego bitu informacji. Łącząc te bity razem, tworzymy bardziej złożone dane. Tak działa system binarny.
Film promocyjny:
Jeśli chodzi o obliczenia kwantowe, dostarczamy informacje elektronom, a nie mikroukładom. Poziomy energii takich elektronów odpowiadają zerom lub jedynkom, jak w klasycznych komputerach, ale w mechanice kwantowej jest to możliwe jednocześnie. Nie wdając się w zbyt wiele teorii, powiedzmy tylko, że daje to komputerom możliwość równoległego przetwarzania bardzo dużych ilości danych, dzięki czemu są one znacznie szybsze.
Firmy takie jak Google i IBM prowadzą badania, próbując dowiedzieć się, jak wykorzystać manipulację elektronami do stworzenia komputerów kwantowych, które są znacznie potężniejsze niż komputery klasyczne. Ale po drodze jest jedna poważna przeszkoda. Takie komputery są słabo chronione przed otaczającymi je „zakłóceniami”. Jeśli klasyczny komputer jest w stanie poradzić sobie z szumem, to komputer kwantowy może generować ogromną różnorodność błędów z powodu niestabilnych ramek, przypadkowych pól elektrycznych lub cząsteczek powietrza, które dostają się do procesora, nawet gdy jest trzymany w próżni. To jest główny powód, dla którego nie używamy jeszcze komputerów kwantowych w naszym codziennym życiu.
Jednym z możliwych rozwiązań jest przechowywanie informacji nie w jednym, ale w kilku elektronach, ponieważ interferencja zwykle wpływa na procesory kwantowe na poziomie pojedynczych cząstek. Załóżmy, że mamy pięć elektronów, które zbiorczo przechowują tę samą część informacji. Dlatego, jeśli jest prawidłowo przechowywany w większości elektronów, wówczas interferencja wpływająca na pojedynczy elektron nie zepsuje całego systemu.
Naukowcy eksperymentują z tak zwanym głosowaniem większościowym, ale inżynieria topologiczna może zaoferować łatwiejsze rozwiązanie. Tak jak topologiczne nadprzewodniki mogą przewodzić przepływ energii elektrycznej na tyle dobrze, że opór nie zakłóca, tak topologiczne komputery kwantowe mogą być wystarczająco wytrzymałe i odporne na zakłócenia. Może to znacznie przyczynić się do urzeczywistnienia obliczeń kwantowych. Amerykańscy naukowcy aktywnie nad tym pracują.
Przyszłość
Naukowcom może zająć od 10 do 30 lat, aby nauczyć się manipulować elektronami na tyle dobrze, aby obliczenia kwantowe stały się możliwe. Ale już pojawiają się całkiem interesujące możliwości. Na przykład takie komputery mogą symulować tworzenie się cząsteczek, co jest ilościowym wyzwaniem dla dzisiejszych tradycyjnych komputerów. Może to zrewolucjonizować produkcję leków, ponieważ będziemy w stanie przewidzieć, co będzie się działo w organizmie podczas procesów chemicznych.
Oto kolejny przykład. Komputer kwantowy może zmienić sztuczną inteligencję w rzeczywistość. Maszyny kwantowe lepiej uczą się niż klasyczne komputery. Wynika to częściowo z faktu, że można w nich umieścić znacznie inteligentniejsze algorytmy. Rozwiązaniem tajemnicy sztucznej inteligencji będzie jakościowa zmiana w egzystencji ludzkości - jednak nie wiadomo, na dobre czy na złe.
Krótko mówiąc, prognozy Kosterlitz, Thouless i Haldane mogą zrewolucjonizować technologię komputerową w XXI wieku. Jeśli komitet noblowski dostrzegł dziś wagę ich pracy, to z pewnością będziemy im dziękować przez wiele następnych lat.