A brit tudósok, Michael Kosterlitz, David Thouless és Duncan Haldane a fizika Nobel-díját kapják "az anyag topológiai fázisátmeneteinek és az anyag topológiai fázisának elméleti felfedezéseiért". Az „elméleti felfedezések” szavak kétségbe vonják, hogy munkájuk gyakorlatilag alkalmazható-e vagy befolyásolhatja életünket a jövőben. De minden kiderülhet, hogy éppen az ellenkezője.
A felfedezés lehetőségeinek megértéséhez hasznos lesz megérteni az elméletet. A legtöbb ember tudja, hogy egy atom belsejében egy atommag van, és az elektronok körül forognak. Ez megfelel a különböző energiaszinteknek. Amikor az atomok csoportosulnak és valamilyen anyagot képeznek, az egyes atomok minden energiaszintje egyesül, és elektron-zónákat hoz létre. Az elektronok mindegyik úgynevezett energiasávja rendelkezik bizonyos számú elektron számára. És az egyes zónák között vannak olyan rések, amelyekben az elektronok nem tudnak mozogni.
Ha egy anyagra elektromos töltést (további elektronok áramát) vezetik, annak vezetőképességét az határozza meg, hogy a legnagyobb energiájú elektronok zónájában van-e hely az új elektronok számára. Ha igen, akkor az anyag karmesterként viselkedik. Ha nem, akkor extra energiára van szükség ahhoz, hogy az elektronok áramlása új üres zónába kerüljön. Ennek eredményeként ez az anyag szigetelőként viselkedik. A vezetőképesség kritikus az elektronika szempontjából, mivel az alkatrészek, mint például vezetők, félvezetők és dielektrikák képezik a termék lényegét.
A 70-es és 1980-as évek Kosterlitz, Thouless és Haldane jóslatai szerint egyes anyagok nem tartják be ezt a szabályt. Néhány más teoretikus is támogatja álláspontját. Azt sugallták, hogy az elektronok zónáinak közötti rések helyett, ahol nem lehetnek, van egy speciális energiaszint, amelyen különféle és nagyon váratlan dolgok lehetséges.
Ez a tulajdonság csak az ilyen anyagok felületén és szélein létezik, és rendkívül robusztus. Bizonyos mértékben az anyag alakjától is függ. A fizikában ezt topológiának hívják. Gömb vagy például tojás alakú anyagban ezek a tulajdonságok vagy tulajdonságok azonosak, de a fánkban a középen lévő lyuk miatt különböznek. Az ilyen jellemzõk elsõ mérését a síklap határán levõ árammal végeztük.
Az ilyen topológiai anyagok tulajdonságai rendkívül hasznosak lehetnek. Például egy elektromos áram ellenállás nélkül áramolhat a felületén, még akkor is, ha a készülék kissé sérült. A szupravezetők ezt topológiai tulajdonságok nélkül is megteszik, de csak nagyon alacsony hőmérsékleten tudnak működni. Vagyis nagy mennyiségű energia csak hűtött vezetőben használható fel. A topológiai anyagok magasabb hőmérsékleten is megtehetik ugyanezt.
Ennek fontos következményei vannak a számítógépes munkára. A számítógépek manapság elfogyasztott energia nagy része ventilátorokhoz kerül, hogy csökkentse az áramkörök ellenállása által okozott hőmérsékletet. A fűtési probléma kiküszöbölésével a számítógépek sokkal energiahatékonyabbak lehetnek. Például ez a szén-dioxid-kibocsátás jelentős csökkenéséhez vezet. Ezenkívül sokkal hosszabb élettartamú akkumulátorokat is el lehet készíteni. A tudósok már elkezdtek kísérleteket olyan topológiai anyagokkal, mint például a kadmium-tellurid és a higany-tellurid, az elmélet gyakorlati megvalósítása érdekében.
Ezen túlmenően a kvantumszámítás jelentős áttörése lehetséges. A klasszikus számítógépek adatokat kódolnak, akár feszültséget adnak a mikroáramkörre, akár nem. Ennek megfelelően a számítógép úgy értelmezi, hogy 0 vagy 1 minden egyes információs bitre. Ezeket a biteket összerakva összetettebb adatokat hozunk létre. Így működik egy bináris rendszer.
Promóciós videó:
A kvantumszámításnál az információkat elektronokra, nem pedig a mikroáramkörökre továbbítjuk. Az ilyen elektronok energiaszintje nulláknak vagy azoknak felel meg, mint a klasszikus számítógépeknél, de a kvantummechanikában ez egyszerre lehetséges. Anélkül, hogy túl sok elméletbe belemennénk, mondjuk azt, hogy ez lehetővé teszi a számítógépek számára, hogy nagyon nagy mennyiségű adatot dolgozzanak fel párhuzamosan, és ezáltal sokkal gyorsabbá tegyék azokat.
Az olyan cégek, mint a Google és az IBM kutatásokat végeznek, amelyek célja az elektronok manipulációjának felhasználása kvantumszámítógépek létrehozására, amelyek sokkal erősebbek, mint a klasszikus számítógépek. De az út egyik fő akadálya. Az ilyen számítógépek gyengén védettek a környező "zajinterferencia" ellen. Ha egy klasszikus számítógép képes megbirkózni a zajjal, akkor egy kvantumszámítógép hatalmas különféle hibákat okozhat instabil keretek, véletlenszerű elektromos mezők vagy légmolekulák miatt, amelyek a processzorba kerülnek akkor is, ha vákuumban tartják. Ez a fő oka annak, hogy még nem használunk kvantumszámítógépeket a mindennapi életünkben.
Az egyik lehetséges megoldás az, hogy az információkat nem egyben, hanem több elektronban tárolják, mivel az interferencia általában a kvantumprocesszorokat érinti az egyes részecskék szintjén. Tegyük fel, hogy öt elektronunk van, amelyek együttesen ugyanazt az információt tárolják. Ezért ha a legtöbb elektronban helyesen tárolja, akkor az egyetlen elektronot érintő interferencia nem rombolja az egész rendszert.
A tudósok kísérlik ezt az úgynevezett többségi szavazást, de a topológiai műszaki megoldások egyszerűbb megoldást kínálhatnak. Ahogyan a topológiai szupravezetők elég jól tudják vezetni az áramot, hogy az ellenállás ne zavarjon, a topológiai kvantumszámítógépek is elég robusztusak és immunmentesek lehetnek az interferencia ellen. Ez hosszú utat tehet a kvantumszámítás valósággá tételéig. Az amerikai tudósok aktívan dolgoznak ezen.
Jövő
10–30 évbe telhet, amíg a tudósok megtanulják, hogyan kell elegendő mértékben manipulálni az elektronokat ahhoz, hogy a kvantumszámítás lehetséges legyen. De már nagyon érdekes lehetőségek merülnek fel. Például az ilyen számítógépek képesek szimulálni a molekulák képződését, ami mennyiségi szempontból kihívást jelent a mai hagyományos számítógépek számára. Ennek lehetősége van forradalmasítani a gyógyszerek előállítását, mivel meg tudjuk jósolni, mi fog történni a testben a kémiai folyamatok során.
Itt van egy másik példa. A kvantumszámítógép valósá teheti a mesterséges intelligenciát. A kvantumgépek jobban megtanulják a klasszikus számítógépeket. Ez részben annak a ténynek köszönhető, hogy sokkal okosabb algoritmusokat lehet beilleszteni bennük. A mesterséges intelligencia rejtélyének megoldása az emberiség létezésének kvalitatív változásává válik - mindazonáltal nem ismert, jobb vagy rosszabb.
Röviden: Kosterlitz, Thouless és Haldane előrejelzései forradalmasíthatják a számítógépes technológiát a 21. században. Ha a Nobel bizottság felismerte munkájuk fontosságát ma, akkor biztosan megköszönjük nekik a következő években.