De britiske forskere Michael Kosterlitz, David Thouless og Duncan Haldane modtog Nobelprisen i fysik "for de teoretiske opdagelser af topologiske faseovergange og topologiske faser af stof." Ordene "teoretiske opdagelser" rejser tvivl om, at deres arbejde vil have enhver praktisk anvendelse eller kan påvirke vores liv i fremtiden. Men alt kan vise sig at være det modsatte.
For at forstå potentialet ved denne opdagelse vil det være nyttigt at få en forståelse af teorien. De fleste mennesker ved, at der er en kerne inde i et atom, og at elektroner drejer rundt om det. Dette svarer til forskellige energiniveauer. Når atomer grupperes sammen og skaber en form for stof, kombineres alle energiniveauer i hvert atom for at skabe zoner af elektroner. Hvert såkaldte energibånd af elektroner har plads til et vist antal elektroner. Og mellem hver zone er der huller, i hvilke elektroner ikke kan bevæge sig.
Hvis en elektrisk ladning (en strøm af yderligere elektroner) påføres et materiale, bestemmes dens ledningsevne af, om zonen for elektroner med mest energi har plads til nye elektroner. I så fald vil materialet opføre sig som en leder. Hvis ikke, er der behov for ekstra energi for at skubbe strømmen af elektroner ind i en ny tom zone. Som et resultat vil dette materiale opføre sig som en isolator. Konduktivitet er kritisk for elektronik, fordi komponenter som ledere, halvledere og dielektrik er kernen i dets produkter.
Forudsigelserne fra Kosterlitz, Thouless og Haldane i 1970'erne og 1980'erne er, at noget materiale ikke overholder denne regel. Nogle andre teoretikere støtter også deres synspunkt. De foreslog, at der i stedet for mellemrummet mellem zoner af elektroner, hvor de ikke kan være, der er et specielt energiniveau, hvor forskellige og meget uventede ting er mulige.
Denne egenskab findes kun på overfladen og i kanterne af sådanne materialer og er ekstremt robust. I en vis grad afhænger det også af materialets form. I fysik kaldes dette topologi. I et materiale i form af en kugle eller for eksempel et æg er disse egenskaber eller egenskaber identiske, men i en donut adskiller de sig på grund af et hul i midten. De første målinger af sådanne karakteristika blev foretaget af strømmen langs grænsen af det flade ark.
Egenskaber ved sådanne topologiske materialer kan være yderst nyttige. For eksempel kan en elektrisk strøm flyde på deres overflade uden nogen modstand, selv når enheden er let beskadiget. Superledere gør dette selv uden topologiske egenskaber, men de kan kun arbejde ved meget lave temperaturer. Det vil sige, en stor mængde energi kan kun bruges i en afkølet leder. Topologiske materialer kan gøre det samme ved højere temperaturer.
Dette har vigtige konsekvenser for computerassisteret arbejde. Det meste af den energi, som computere bruger i dag, går til fans for at reducere temperaturer forårsaget af modstand i kredsløbene. Ved at eliminere dette opvarmningsproblem kan computere gøres meget mere energieffektive. For eksempel vil dette føre til en betydelig reduktion i kulstofemissioner. Derudover vil det være muligt at fremstille batterier med en meget længere levetid. Forskere er allerede begyndt med eksperimenter med topologiske materialer som cadmium-tellurid og kviksølv-tellurid for at omsætte teorien i praksis.
Derudover er store gennembrud inden for kvanteberegning mulig. Klassiske computere koder data enten ved at anvende spænding til mikrokredsløbet eller ej. Følgelig fortolker computeren dette som 0 eller 1 for hver bit af information. Ved at sætte disse bits sammen skaber vi mere komplekse data. Sådan fungerer et binært system.
Salgsfremmende video:
Når det kommer til kvanteberegning, leverer vi information til elektroner, ikke til mikrokredsløb. Energiniveauet for sådanne elektroner svarer til nuller eller dem som i klassiske computere, men i kvantemekanik er dette muligt samtidig. Uden at gå ind på for meget teori, lad os bare sige, at dette giver computere mulighed for at behandle meget store datamængder parallelt, hvilket gør dem meget hurtigere.
Virksomheder som Google og IBM foretager forskning, der prøver at finde ud af, hvordan man bruger manipulation af elektroner til at skabe kvantecomputere, der er meget mere magtfulde end klassiske computere. Men der er en stor hindring undervejs. Sådanne computere er dårligt beskyttet mod omgivende "støjforstyrrelser". Hvis en klassisk computer er i stand til at klare støjen, kan en kvantecomputer producere en lang række fejl på grund af ustabile rammer, tilfældige elektriske felter eller luftmolekyler, der kommer ind i processoren, selvom de holdes i et vakuum. Dette er hovedårsagen til, at vi endnu ikke bruger kvantecomputere i vores daglige liv.
En mulig løsning er at gemme information ikke i en, men i flere elektroner, da interferens normalt påvirker kvanteprocessorer på niveauet for individuelle partikler. Antag, at vi har fem elektroner, der samlet gemmer den samme bit information. Derfor, hvis det er gemt korrekt i de fleste elektroner, vil interferens, der påvirker en enkelt elektron, ikke ødelægge hele systemet.
Forskere eksperimenterer med denne såkaldte flertalsafstemning, men topologisk teknik kan muligvis tilbyde en lettere løsning. Ligesom topologiske superledere kan lede strømmen af elektricitet godt nok til, at modstanden ikke forstyrrer den, kan topologiske kvantecomputere være robuste nok og immun mod interferens. Dette kunne gå langt i retning af at gøre kvanteberegning til virkelighed. Amerikanske forskere arbejder aktivt med dette.
Fremtid
Det kan tage 10 til 30 år for forskere at lære, hvordan man manipulerer elektroner godt nok til, at kvanteberegning bliver mulig. Men allerede interessante muligheder dukker op. For eksempel kan sådanne computere simulere dannelsen af molekyler, hvilket er kvantitativt udfordrende for nutidens traditionelle computere. Dette har potentiale til at revolutionere produktionen af medikamenter, da vi vil være i stand til at forudsige, hvad der vil ske i kroppen under kemiske processer.
Her er et andet eksempel. En kvantecomputer kan omdanne kunstig intelligens til virkelighed. Kvantemaskiner er bedre til at lære end klassiske computere. Dette skyldes delvist, at der kan lægges meget smartere algoritmer i dem. Løsningen på kunstig intelligens mysterium vil blive en kvalitativ ændring i menneskehedens eksistens - det er imidlertid ikke kendt, til bedre eller værre.
Kort sagt, forudsigelserne fra Kosterlitz, Thouless og Haldane kunne revolutionere computerteknologi i det 21. århundrede. Hvis Nobelkomiteen har erkendt betydningen af deres arbejde i dag, vil vi helt sikkert takke dem for mange år fremover.
