Oamenii de știință britanici Michael Kosterlitz, David Thouless și Duncan Haldane au primit Premiul Nobel pentru fizică „pentru descoperirile teoretice ale tranzițiilor fazelor topologice și fazele topologice ale materiei”. Cuvintele „descoperiri teoretice” ridică îndoieli că munca lor va avea vreo aplicație practică sau ne poate influența viețile în viitor. Dar totul se poate dovedi exact opusul.
Pentru a înțelege potențialul acestei descoperiri, va fi util să obțineți o înțelegere a teoriei. Majoritatea oamenilor știu că există un nucleu în interiorul unui atom și că electronii se învârt în jurul lui. Aceasta corespunde nivelurilor de energie diferite. Când atomii se grupează și creează un fel de materie, toate nivelurile de energie ale fiecărui atom se combină pentru a crea zone de electroni. Fiecare așa-numită bandă energetică de electroni are loc pentru un anumit număr de electroni. Între fiecare zonă există goluri în care electronii nu se pot mișca.
Dacă o sarcină electrică (un flux de electroni suplimentari) este aplicată pe un material, conductivitatea acestuia este determinată dacă zona electronilor cu cea mai mare energie are loc pentru electroni noi. Dacă da, materialul se va comporta ca un conductor. Dacă nu, este nevoie de energie suplimentară pentru a împinge fluxul de electroni într-o nouă zonă goală. Drept urmare, acest material se va comporta ca un izolator. Conductivitatea este esențială pentru electronică, deoarece componente precum conductoare, semiconductoare și dielectrice sunt la baza produselor sale.
Prezicerile lui Kosterlitz, Thouless și Haldane din anii 1970 și 1980 sunt că unele materiale nu respectă această regulă. Unii alți teoreticieni își susțin și punctul de vedere. Ei au sugerat că în loc de decalajele dintre zonele de electroni unde nu pot fi, există un nivel de energie special în care sunt posibile lucruri diferite și foarte neașteptate.
Această proprietate există doar la suprafață și la marginile acestor materiale și este extrem de robustă. Într-o anumită măsură, depinde și de forma materialului. În fizică, aceasta se numește topologie. Într-un material în formă de sferă sau, de exemplu, un ou, aceste proprietăți sau caracteristici sunt identice, dar într-o gogoașă diferă datorită unei găuri din mijloc. Primele măsurători ale unor astfel de caracteristici au fost făcute de curent de-a lungul graniței foii plane.
Proprietățile unor astfel de materiale topologice pot fi extrem de utile. De exemplu, un curent electric poate curge pe suprafața lor fără nicio rezistență, chiar și atunci când dispozitivul este ușor deteriorat. Superconductorii fac acest lucru chiar și fără proprietăți topologice, dar pot funcționa doar la temperaturi foarte scăzute. Adică, o cantitate mare de energie poate fi utilizată doar într-un conductor răcit. Materialele topologice pot face același lucru la temperaturi mai ridicate.
Acest lucru are implicații importante pentru munca asistată de computer. Cea mai mare parte a energiei consumate astăzi de computere se adresează fanilor pentru a reduce temperaturile cauzate de rezistența în circuite. Prin eliminarea acestei probleme de încălzire, computerele pot fi mult mai eficiente din punct de vedere energetic. De exemplu, acest lucru va conduce la o reducere semnificativă a emisiilor de carbon. În plus, va fi posibil să se facă baterii cu o durată de viață mult mai lungă. Oamenii de știință au început deja experimente cu materiale topologice, cum ar fi telurura de cadmiu și telurura de mercur, pentru a pune în practică teoria.
În plus, sunt posibile progrese majore în calculul cuantic. Calculatoarele clasice codifică datele fie prin aplicarea tensiunii la microcircuit, fie nu. În consecință, computerul interpretează acest lucru ca 0 sau 1 pentru fiecare biț de informație. Prin combinarea acestor biți, creăm date mai complexe. Așa funcționează un sistem binar.
Video promotional:
Când vine vorba de calculul cuantic, furnizăm informații electronilor, nu microcircuitelor. Nivelurile de energie ale acestor electroni corespund unor zerouri sau acelea ca în computerele clasice, dar în mecanica cuantică acest lucru este posibil simultan. Fără a intra în prea multă teorie, să spunem doar că acest lucru oferă calculatoarelor posibilitatea de a prelucra în paralel cantități foarte mari de date, făcându-le mult mai rapide.
Companii precum Google și IBM efectuează cercetări încercând să descopere modul de utilizare a manipulării electronilor pentru a crea computere cuantice mult mai puternice decât computerele clasice. Dar există un obstacol major pe parcurs. Astfel de computere sunt prost protejate de „interferența zgomotului”. Dacă un computer clasic este capabil să facă față zgomotului, atunci un computer cuantic poate produce o mare varietate de erori datorate cadrelor instabile, câmpurilor electrice aleatorii sau moleculelor de aer care intră în procesor, chiar dacă sunt păstrate în vid. Acesta este principalul motiv pentru care nu folosim încă computere cuantice în viața noastră de zi cu zi.
O soluție posibilă este stocarea informațiilor nu într-unul, ci în mai mulți electroni, deoarece interferența afectează de obicei procesoarele cuantice la nivelul particulelor individuale. Să presupunem că avem cinci electroni care stochează colectiv același bit de informație. Prin urmare, dacă este stocat corect în majoritatea electronilor, atunci interferențele care afectează un singur electron nu vor strica întregul sistem.
Oamenii de știință experimentează această așa-numită votare majoritară, dar ingineria topologică poate oferi o soluție mai ușoară. La fel cum supraconductorii topologici pot conduce fluxul de electricitate suficient de bine încât rezistența să nu interfereze cu acesta, computerele cuantice topologice pot fi suficient de robuste și imune la interferențe. Aceasta ar putea merge mult până la realizarea calculului cuantic într-o realitate. Oamenii de știință americani lucrează activ la acest aspect.
Viitor
Poate dura 10-30 de ani pentru ca oamenii de știință să învețe cum să manipuleze electronii suficient de bine pentru ca calculul cuantic să devină posibil. Dar oportunități destul de interesante apar deja. De exemplu, astfel de computere pot simula formarea de molecule, care este o provocare cantitativă pentru computerele tradiționale de astăzi. Aceasta are potențialul de a revoluționa producția de medicamente, deoarece vom putea prezice ce se va întâmpla în organism în timpul proceselor chimice.
Iată un alt exemplu. Un computer cuantic poate transforma inteligența artificială în realitate. Mașinile cuantice sunt mai bune la învățare decât computerele clasice. Acest lucru se datorează, în parte, faptului că în ei se pot stabili algoritmi mult mai inteligenți. Soluția la misterul inteligenței artificiale va deveni o schimbare calitativă a existenței omenirii - cu toate acestea, nu se știe, în bine sau în rău.
Pe scurt, previziunile lui Kosterlitz, Thouless și Haldane ar putea revoluționa tehnologia computerizată în secolul XXI. Dacă comitetul Nobel a recunoscut importanța muncii lor astăzi, atunci cu siguranță le vom mulțumi pentru mulți ani care urmează.
