Britanski znanstveniki Michael Kosterlitz, David Thouless in Duncan Haldane so prejeli Nobelovo nagrado za fiziko, "za teoretična odkritja topoloških faznih prehodov in topoloških faz materije". Besede "teoretična odkritja" vzbujajo dvom, da bo njihovo delo imelo kakršno koli praktično uporabo ali bo lahko vplivalo na naše življenje v prihodnosti. Toda vse se lahko izkaže ravno obratno.
Za razumevanje potenciala tega odkritja bo koristno pridobiti razumevanje teorije. Večina ljudi ve, da je znotraj atoma jedro in da se okoli njega vrtijo elektroni. To ustreza različnim nivojem energije. Ko se atomi združijo in ustvarijo nekakšno snov, se vsi energijski nivoji vsakega atoma združijo in tako ustvarijo cone elektronov. Vsak tako imenovani energijski pas elektronov ima prostor za določeno število elektronov. Med posameznimi conami obstajajo vrzeli, v katerih se elektroni ne morejo premikati.
Če na material nanesemo električni naboj (tok dodatnih elektronov), se njegova prevodnost določi glede na to, ali ima območje elektronov z največ energije prostor za nove elektrone. V tem primeru se bo material obnašal kot dirigent. Če ne, je potrebna dodatna energija, da se tok elektronov potisne v novo prazno območje. Kot rezultat tega se bo ta material obnašal kot izolator. Vodljivost je pomembna za elektroniko, saj so komponente, kot so prevodniki, polprevodniki in dielektriki, v središču njenih izdelkov.
Napovedi Kosterlitza, Thoulessa in Haldaneja v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja so, da nekateri materiali ne upoštevajo tega pravila. Tudi nekateri drugi teoretiki podpirajo svoje stališče. Predlagali so, da namesto vrzeli med conami elektronov, kjer jih ne more biti, obstaja posebna raven energije, v kateri so možne različne in zelo nepričakovane stvari.
Ta lastnost obstaja samo na površini in na robovih takšnih materialov in je izjemno robustna. Do določene mere je odvisno tudi od oblike materiala. V fiziki se temu reče topologija. V materialu v obliki krogle ali na primer jajčecu so te lastnosti ali značilnosti enake, v krofi pa se razlikujejo zaradi luknje na sredini. Prve meritve takšnih značilnosti je opravil tok vzdolž meje ravnega lista.
Lastnosti takšnih topoloških materialov so lahko izjemno koristne. Na primer, električni tok lahko teče po njihovi površini brez kakršnega koli upora, tudi ko je naprava rahlo poškodovana. Superprevodniki to počnejo tudi brez topoloških lastnosti, vendar lahko delujejo le pri zelo nizkih temperaturah. Se pravi, veliko količino energije lahko porabimo le v ohlajenem prevodniku. Topološki materiali lahko storijo enako pri višjih temperaturah.
To ima pomembne posledice za računalniško podprto delo. Večina energije, ki jo danes porabijo računalniki, namenja ventilatorjem za znižanje temperatur, ki jih povzroča odpornost v vezjih. Z odpravo te težave pri ogrevanju lahko računalnike naredimo veliko bolj energetsko učinkovite. To bo na primer povzročilo znatno zmanjšanje emisij ogljika. Poleg tega bo mogoče izdelovati baterije z veliko daljšo življenjsko dobo. Znanstveniki so že začeli poskuse s topološkimi materiali, kot sta kadmijev telurid in živosrebrni telurid, da bi teorijo uresničili.
Poleg tega so možni večji preboji v kvantnem računanju. Klasični računalniki kodirajo podatke bodisi z napetostjo na mikrovezje ali ne. Računalnik to razlaga kot 0 ali 1 za vsak košček informacij. Z združevanjem teh bitov ustvarjamo bolj zapletene podatke. Tako deluje binarni sistem.
Promocijski video:
Ko gre za kvantno računanje, dostavljamo informacije elektronom in ne mikrovezjem. Ravni energije takšnih elektronov ustrezajo ničam ali ravnem kot v klasičnih računalnikih, v kvantni mehaniki pa je to mogoče hkrati. Ne da bi se spuščali v preveč teorije, povejmo le, da to omogoča računalnikom možnost, da vzporedno obdelujejo zelo veliko količino podatkov, kar jih naredi veliko hitrejše.
Podjetja, kot sta Google in IBM, izvajajo raziskave, s katerimi želijo ugotoviti, kako uporabiti manipulacijo z elektroni za ustvarjanje kvantnih računalnikov, ki so veliko močnejši od klasičnih računalnikov. Toda na poti je ena velika ovira. Takšni računalniki so slabo zaščiteni pred okoliškimi "motnjami hrupa". Če se klasični računalnik spoprijema s hrupom, potem kvantni računalnik lahko povzroči ogromno različnih napak zaradi nestabilnih okvirjev, naključnih električnih polj ali molekul zraka, ki v procesor vstopijo, tudi če so v vakuumu. To je glavni razlog, zakaj v vsakdanjem življenju še ne uporabljamo kvantnih računalnikov.
Ena od možnih rešitev je shranjevanje informacij ne v enem, temveč v več elektronih, saj interferenca običajno vpliva na kvantne procesorje na ravni posameznih delcev. Recimo, da imamo pet elektronov, ki skupaj hranijo isti košček informacij. Če je pravilno shranjen v večini elektronov, potem motnje, ki vplivajo na en elektron, ne bodo pokvarile celotnega sistema.
Znanstveniki eksperimentirajo s tako imenovanim večinskim glasovanjem, vendar lahko topološki inženiring ponudi lažjo rešitev. Tako kot topološki superprevodniki lahko dovolj dobro vodijo pretok električne energije, da ga odpornost ne ovira, so lahko tudi topološki kvantni računalniki dokaj zanesljivi in neobčutljivi na motnje. To bi lahko daleč postalo kvantno računanje resničnost. Ameriški znanstveniki aktivno delajo na tem.
Prihodnost
Znanstveniki lahko trajajo od 10 do 30 let, da se naučijo, kako manipulirati z elektroni dovolj dobro, da postanejo možni kvantni računalniki. A že se pojavljajo precej zanimive priložnosti. Takšni računalniki lahko na primer simulirajo tvorbo molekul, kar je za današnje tradicionalne računalnike količinsko zahtevno. To ima potencial za revolucijo proizvodnje zdravil, saj bomo lahko predvideli, kaj se bo v telesu dogajalo med kemičnimi procesi.
Tu je še en primer. Kvantni računalnik lahko umetno inteligenco spremeni v resničnost. Kvantni stroji so boljši pri učenju kot klasični računalniki. Deloma je to posledica dejstva, da je v njih mogoče položiti veliko pametnejše algoritme. Rešitev skrivnosti umetne inteligence bo postala kvalitativna sprememba obstoja človeštva - vendar ni znano, na bolje ali na slabše.
Skratka, napovedi Kosterlitza, Thoulessa in Haldanea bi lahko v 21. stoletju spremenile računalniško tehnologijo. Če je Nobelov odbor danes prepoznal pomen njihovega dela, se jim bomo zagotovo še dolgo zahvalili.