Britanski znanstvenici Michael Kosterlitz, David Thouless i Duncan Haldane dobili su Nobelovu nagradu za fiziku "za teorijska otkrića prijelaza topološke faze i topološke faze materije". Riječi "teorijska otkrića" izazivaju sumnju da će njihov rad imati bilo kakvu praktičnu primjenu ili može utjecati na naš život u budućnosti. Ali sve se može pokazati upravo suprotno.
Da bismo razumjeli potencijal ovog otkrića, biti će korisno steći razumijevanje teorije. Većina ljudi zna da se u nekom atomu nalazi jezgra i da se oko njega okreću elektroni. To odgovara različitim razinama energije. Kada se atomi grupiraju i stvaraju neku vrstu materije, sve razine energije svakog atoma kombiniraju se da bi stvorile zone elektrona. Svaki takozvani energetski pojas elektrona ima prostora za određeni broj elektrona. A između svake zone postoje praznine u kojima se elektroni ne mogu kretati.
Ako se na neki materijal primijeni električni naboj (tok dodatnih elektrona), njegova se vodljivost određuje ima li u zoni elektrona s najviše energije mjesta za nove elektrone. Ako je tako, materijal će se ponašati kao dirigent. Ako ne, potrebna je dodatna energija da bi se protok elektrona gurnuo u novu praznu zonu. Kao rezultat toga, ovaj će se materijal ponašati poput izolatora. Vodljivost je presudna za elektroniku jer su komponente poput vodiča, poluvodiča i dielektrika u središtu njezinih proizvoda.
Predviđanja Kosterlitza, Thoulessa i Haldanea u 1970-im i 1980-ima pokazuju da se neki materijal ne pokorava ovom pravilu. Neki drugi teoretičari također podržavaju svoje stajalište. Predložili su da umjesto praznina između zona elektrona, tamo gdje ih ne mogu biti, postoji posebna razina energije u kojoj su moguće različite i vrlo neočekivane stvari.
Ovo svojstvo postoji samo na površini i na rubovima takvih materijala i izuzetno je robusno. Do određene mjere to ovisi i o obliku materijala. U fizici se to naziva topologija. U materijalu u obliku kugle ili, na primjer, jajetu, ta su svojstva ili karakteristike identične, ali u krafni se razlikuju zbog rupe u sredini. Prva mjerenja takvih karakteristika izvršena je strujom duž granice ravnog lima.
Svojstva takvih topoloških materijala mogu biti izuzetno korisna. Na primjer, električna struja može teći na njihovoj površini bez ikakvog otpora, čak i kad je uređaj malo oštećen. Superprevodnici to rade čak i bez topoloških svojstava, ali mogu raditi samo pri vrlo niskim temperaturama. Odnosno, velika količina energije može se koristiti samo u rashlađenom vodiču. Topološki materijali mogu to učiniti na višim temperaturama.
To ima važne implikacije na računalno potpomognut rad. Većina energije koju računala danas troše odlazi na ventilatore za smanjenje temperatura uzrokovanih otporom u strujnim krugovima. Uklanjanjem ovog problema s grijanjem, računala se mogu učiniti mnogo energetski učinkovitijima. Primjerice, to će dovesti do značajnog smanjenja emisija ugljika. Osim toga, bit će moguće izrađivati baterije s mnogo dužim vijekom trajanja. Znanstvenici su već započeli eksperimente s topološkim materijalima kao što su kadmij-telurid i živa telurida kako bi teoriju primijenili u praksu.
Pored toga, moguća su velika otkrića u kvantnom računanju. Klasična računala kodiraju podatke dodavanjem napona na mikro krug ili ne. Prema tome, računalo to tumači kao 0 ili 1 za svaki bit informacija. Spajanjem ovih bitova stvaramo složenije podatke. Ovako radi binarni sustav.
Promotivni video:
Kad je u pitanju kvantno računanje, mi isporučujemo informacije elektronima, a ne mikrovezama. Razina energije takvih elektrona odgovara nuli ili onoj kao u klasičnim računalima, ali u kvantnoj mehanici to je moguće istovremeno. Ne upuštajući se u previše teorije, recimo samo to da računalima omogućuje paralelno obrađivanje vrlo velike količine podataka, što ih čini mnogo bržim.
Tvrtke poput Googlea i IBM-a provode istraživanja pokušavajući otkriti kako koristiti manipulaciju elektronima za stvaranje kvantnih računala koja su mnogo moćnija od klasičnih računala. Ali na putu je jedna glavna prepreka. Takva su računala slabo zaštićena od okolnih "smetnji od buke". Ako se klasično računalo može nositi sa bukom, tada kvantno računalo može stvoriti veliki broj pogrešaka zbog nestabilnih okvira, slučajnih električnih polja ili molekula zraka koje ulaze u procesor čak i ako se drže u vakuumu. To je glavni razlog zašto u svakodnevnom životu još ne koristimo kvantna računala.
Jedno moguće rješenje je pohranjivanje informacija ne u jednom, već u nekoliko elektrona, jer interferencija obično utječe na kvantne procesore na razini pojedinih čestica. Pretpostavimo da imamo pet elektrona koji zajedno pohranjuju isti dio informacija. Stoga, ako se pravilno pohrani u većini elektrona, tada interferencija koja utječe na jedan elektron neće pokvariti cijeli sustav.
Znanstvenici eksperimentiraju s takozvanim većinskim glasovanjem, ali topološki inženjering može ponuditi lakše rješenje. Baš kao što topološki superprovodnici mogu dovoljno dobro provesti protok električne energije da otpor ne ometa, tako i topološki kvantna računala mogu biti dovoljno robusna i otporna na smetnje. To bi moglo učiniti dug put prema tome da kvantno računanje postane stvarnost. Američki znanstvenici na tome aktivno rade.
Budućnost
Može proći 10 do 30 godina da naučnici nauče kako manipulirati elektronima dovoljno dobro da bi kvantno računanje postalo moguće. Ali prilično zanimljive prilike već se pojavljuju. Na primjer, takva računala mogu simulirati stvaranje molekula, što je kvantitativno izazovno za današnja tradicionalna računala. To ima potencijal revolucije proizvodnje lijekova, jer ćemo moći predvidjeti što će se dogoditi u tijelu tijekom kemijskih procesa.
Evo još jednog primjera. Kvantno računalo može umjetnu inteligenciju pretvoriti u stvarnost. Kvantni strojevi bolje uče od klasičnih računala. Djelomično je to zbog činjenice da se u njima mogu postaviti mnogo pametniji algoritmi. Rješenje misterije umjetne inteligencije postat će kvalitativna promjena u postojanju čovječanstva - međutim, nije poznato, ni bolje ni gore.
Ukratko, predviđanja Kosterlitza, Thoulessa i Haldanea mogla bi revolucionirati računalnu tehnologiju u 21. stoljeću. Ako je Nobelov odbor danas prepoznao važnost njihovog rada, tada ćemo im sigurno zahvaliti još mnogo godina.