Британските учени Майкъл Костерлиц, Дейвид Thouless и Duncan Haldane получиха Нобеловата награда по физика „за теоретичните открития на топологични фазови преходи и топологични фази на материята“. Думите „теоретични открития“пораждат съмнения, че тяхната работа ще има някакво практическо приложение или може да повлияе на живота ни в бъдеще. Но всичко може да се окаже точно обратното.
За да разберем потенциала на това откритие, ще бъде полезно да се разбере теорията. Повечето хора знаят, че вътре в атом има ядро и че около него се въртят електрони. Това съответства на различни енергийни нива. Когато атомите се групират и създават някакъв вид материя, всички енергийни нива на всеки атом се комбинират, за да създадат зони на електрони. Всяка така наречена енергийна лента от електрони има място за определен брой електрони. И между всяка зона има пропуски, в които електроните не могат да се движат.
Ако към даден материал се приложи електрически заряд (поток от допълнителни електрони), неговата проводимост се определя от това дали зоната на електроните с най-много енергия има място за нови електрони. Ако е така, материалът ще се държи като проводник. В противен случай е необходима допълнителна енергия, за да избута потока на електроните в нова празна зона. В резултат на това този материал ще се държи като изолатор. Проводимостта е от решаващо значение за електрониката, тъй като компоненти като проводници, полупроводници и диелектрици са в основата на нейните продукти.
Прогнозите на Kosterlitz, Thouless и Haldane през 70-те и 80-те години са, че някои материали не се подчиняват на това правило. Някои други теоретици също подкрепят своята гледна точка. Те предположиха, че вместо пропуските между зоните на електроните, където те не могат да бъдат, има специално енергийно ниво, при което са възможни различни и много неочаквани неща.
Това свойство съществува само на повърхността и в краищата на такива материали и е изключително здраво. До известна степен това зависи и от формата на материала. Във физиката това се нарича топология. В материал под формата на сфера или, например, яйце, тези свойства или характеристики са идентични, но при поничка се различават поради дупка в средата. Първите измервания на такива характеристики са направени от тока по границата на плоския лист.
Свойствата на такива топологични материали могат да бъдат изключително полезни. Например електрически ток може да тече по повърхността им без никакво съпротивление, дори когато устройството е леко повредено. Свръхпроводниците правят това дори без топологични свойства, но те могат да работят само при много ниски температури. Тоест голямо количество енергия може да се използва само в охладен проводник. Топологичните материали могат да направят същото при по-високи температури.
Това има важно значение за компютърно подпомаганата работа. По-голямата част от енергията, консумирана от компютрите днес, се насочва към вентилаторите за намаляване на температурите, причинени от съпротивление в веригите. Елиминирайки този проблем с отоплението, компютрите могат да бъдат направени много по-енергийно ефективни. Например, това ще доведе до значително намаляване на въглеродните емисии. Освен това ще бъде възможно да се правят батерии с много по-дълъг експлоатационен живот. Учените вече са започнали експерименти с топологични материали като кадмий телурид и живачен телурид, за да приложат теорията на практика.
Освен това са възможни големи пробиви в квантовите изчисления. Класическите компютри кодират данни или чрез прилагане на напрежение към микросхемата или не. Съответно компютърът интерпретира това като 0 или 1 за всеки бит информация. Слагайки тези битове заедно, ние създаваме по-сложни данни. Ето как работи бинарната система.
Промоционално видео:
Що се отнася до квантовите изчисления, ние доставяме информация на електрони, а не на микросхеми. Енергийните нива на такива електрони съответстват на нули или такива, както в класическите компютри, но в квантовата механика това е възможно едновременно. Без да навлизаме в твърде много теория, нека просто кажем, че това дава възможност на компютрите да обработват паралелно много големи количества данни, което ги прави много по-бързи.
Компании като Google и IBM провеждат изследвания, опитвайки се да разберат как да използват манипулацията на електроните за създаване на квантови компютри, които са много по-мощни от класическите компютри. Но има една основна пречка по пътя. Такива компютри са слабо защитени от заобикалящата ги „шума смущения“. Ако класическият компютър е в състояние да се справи с шума, тогава квантовият компютър може да създаде огромно разнообразие от грешки поради нестабилни кадри, случайни електрически полета или въздушни молекули, които влизат в процесора, дори и да се държат във вакуум. Това е основната причина, поради която все още не използваме квантови компютри в ежедневието си.
Едно възможно решение е да се съхранява информация не в един, а в няколко електрона, тъй като интерференцията обикновено засяга квантовите процесори на ниво отделни частици. Да предположим, че имаме пет електрона, които колективно съхраняват един и същ бит информация. Следователно, ако се съхранява правилно в повечето електрони, тогава интерференцията, засягаща един единствен електрон, няма да развали цялата система.
Учените експериментират с така нареченото гласуване с мнозинство, но топологичното инженерство може да предложи по-лесно решение. Точно както топологичните свръхпроводници могат да провеждат потока на електричество достатъчно добре, че съпротивлението не пречи, така и топологичните квантови компютри могат да бъдат достатъчно здрави и имунизирани срещу смущения. Това може да измине дълъг път към превръщането на квантовите изчисления в реалност. Американските учени активно работят върху това.
бъдеще
Може да отнеме 10 до 30 години, за да могат учените да научат как да манипулират електроните достатъчно добре, за да станат възможни квантовите изчисления. Но вече се появяват доста интересни възможности. Например такива компютри могат да симулират образуването на молекули, което е количествено предизвикателство за традиционните компютри днес. Това има потенциал да революционизира производството на лекарства, тъй като ще можем да предвидим какво ще се случи в организма по време на химичните процеси.
Ето още един пример. Квантовият компютър може да превърне изкуствения интелект в реалност. Квантовите машини са по-добри в ученето от класическите компютри. Отчасти това се дължи на факта, че в тях могат да бъдат положени много по-интелигентни алгоритми. Решението на мистерията на изкуствения интелект ще се превърне в качествена промяна в съществуването на човечеството - обаче не е известно, за по-добро или за лошо.
Накратко, прогнозите на Kosterlitz, Thouless и Haldane могат да направят революция в компютърните технологии през 21 век. Ако днес Нобеловият комитет е познал значението на тяхната работа, тогава със сигурност ще им благодарим за много години напред.
