De britiske forskerne Michael Kosterlitz, David Thouless og Duncan Haldane mottok Nobelprisen i fysikk "for de teoretiske oppdagelsene av topologiske faseoverganger og topologiske faser av materien." Ordene "teoretiske funn" vekker tvil om at deres arbeid vil ha noen praktisk anvendelse eller kan påvirke livene våre i fremtiden. Men alt kan vise seg å være motsatt.
For å forstå potensialet i denne oppdagelsen, vil det være nyttig å få en forståelse av teorien. De fleste vet at det er en kjerne inne i et atom, og at elektroner kretser rundt den. Dette tilsvarer forskjellige energinivåer. Når atomer grupperer seg og skaper en slags materie, kombineres alle energinivået i hvert atom for å lage soner med elektroner. Hvert såkalte energibånd av elektroner har plass til et visst antall elektroner. Og mellom hver sone er det hull der elektroner ikke kan bevege seg.
Hvis en elektrisk ladning (en strøm av tilleggselektroner) påføres et materiale, bestemmes dens ledningsevne av om sonen for elektroner med mest energi har plass til nye elektroner. I så fall vil materialet oppføre seg som en leder. Hvis ikke, trengs det ekstra energi for å skyve strømmen av elektroner inn i en ny tom sone. Som et resultat vil dette materialet oppføre seg som en isolator. Konduktivitet er avgjørende for elektronikk fordi komponenter som ledere, halvledere og dielektrikk er kjernen i produktene.
Spådommene til Kosterlitz, Thouless og Haldane på 1970- og 1980-tallet er at noe materiale ikke overholder denne regelen. Noen andre teoretikere støtter også deres synspunkt. De foreslo at i stedet for mellomrom mellom sonene til elektroner der de ikke kan være, er det et spesielt energinivå der forskjellige og veldig uventede ting er mulig.
Denne egenskapen eksisterer bare på overflaten og på kantene av slike materialer og er ekstremt robust. Til en viss grad avhenger det også av materialets form. I fysikk kalles dette topologi. I et materiale i form av en kule eller for eksempel et egg er disse egenskapene eller egenskapene identiske, men i en smultring skiller de seg på grunn av et hull i midten. De første målingene av slike egenskaper ble foretatt av strømmen langs grensen til det flate arket.
Egenskapene til slike topologiske materialer kan være ekstremt nyttige. For eksempel kan en elektrisk strøm strømme på overflaten deres uten motstand, selv når enheten er lett skadet. Superledere gjør dette selv uten topologiske egenskaper, men de kan bare fungere ved veldig lave temperaturer. Det vil si at en stor mengde energi bare kan brukes i en avkjølt leder. Topologiske materialer kan gjøre det samme ved høyere temperaturer.
Dette har viktige implikasjoner for datamaskinassistert arbeid. Det meste av energien som brukes av datamaskiner i dag, går til vifter for å redusere temperaturer forårsaket av motstand i kretsene. Ved å eliminere dette oppvarmingsproblemet, kan datamaskiner gjøres mye mer energieffektive. For eksempel vil dette føre til en betydelig reduksjon i karbonutslipp. I tillegg vil det være mulig å lage batterier med mye lengre levetid. Forskere har allerede begynt å eksperimentere med topologiske materialer som kadmium Tellurid og kvikksølv Tellurid for å sette teorien ut i livet.
I tillegg er store gjennombrudd innen kvanteberegning mulig. Klassiske datamaskiner koder data enten ved å bruke spenning til mikrokretsen eller ikke. Følgelig tolker datamaskinen dette som 0 eller 1 for hver bit av informasjon. Ved å sette sammen disse bitene lager vi mer komplekse data. Slik fungerer et binært system.
Salgsfremmende video:
Når det gjelder kvanteberegning, leverer vi informasjon til elektroner, ikke til mikrokretser. Energinivået til slike elektroner tilsvarer nuller eller de som i klassiske datamaskiner, men i kvantemekanikk er dette mulig samtidig. Uten å gå for mye teori, la oss bare si at dette gir datamaskiner muligheten til å behandle veldig store datamengder parallelt, noe som gjør dem mye raskere.
Selskaper som Google og IBM forsker for å finne ut hvordan man bruker manipulering av elektroner for å lage kvantemaskiner som er mye kraftigere enn klassiske datamaskiner. Men det er ett stort hinder underveis. Slike datamaskiner er dårlig beskyttet mot omgivende "støyforstyrrelser". Hvis en klassisk datamaskin er i stand til å takle støyen, kan en kvantecomputer produsere et stort mangfold av feil på grunn av ustabile rammer, tilfeldige elektriske felt eller luftmolekyler som kommer inn i prosessoren selv om den holdes i et vakuum. Dette er hovedgrunnen til at vi ikke bruker kvantecomputere i hverdagen ennå.
En mulig løsning er å lagre informasjon ikke i en, men i flere elektroner, siden interferens vanligvis påvirker kvanteprosessorer på nivået av individuelle partikler. Anta at vi har fem elektroner som lagrer den samme informasjonen sammen. Derfor, hvis den er lagret riktig i de fleste elektronene, vil ikke interferens som påvirker et enkelt elektron ødelegge hele systemet.
Forskere eksperimenterer med denne såkalte flertallstemmen, men topologisk prosjektering kan tilby en enklere løsning. Akkurat som topologiske superledere kan lede strømmen av elektrisitet godt nok til at motstanden ikke forstyrrer, kan topologiske kvantedatamaskiner være robuste nok og immun mot interferens. Dette kan strekke seg langt mot å gjøre kvanteberegning til virkelighet. Amerikanske forskere jobber aktivt med dette.
Framtid
Det kan ta 10 til 30 år for forskere å lære seg å manipulere elektronene godt nok til at kvanteberegning blir mulig. Men ganske interessante muligheter dukker allerede opp. For eksempel kan slike datamaskiner simulere dannelsen av molekyler, noe som er kvantitativt utfordrende for dagens tradisjonelle datamaskiner. Dette har potensial til å revolusjonere produksjonen av medisiner, da vi vil være i stand til å forutsi hva som vil skje i kroppen under kjemiske prosesser.
Her er et annet eksempel. En kvantecomputer kan gjøre kunstig intelligens til virkelighet. Kvantemaskiner er flinkere til å lære enn klassiske datamaskiner. Dette skyldes delvis det faktum at det kan legges mye smartere algoritmer i dem. Løsningen på mysteriet med kunstig intelligens vil bli en kvalitativ endring i menneskehetens eksistens - det er imidlertid ikke kjent, på bedre eller verre.
Kort sagt, spådommene til Kosterlitz, Thouless og Haldane kunne revolusjonere datateknologi i det 21. århundre. Hvis Nobelkomiteen har erkjent viktigheten av arbeidet deres i dag, vil vi sikkert takke dem for mange år fremover.
