De brittiska forskarna Michael Kosterlitz, David Thouless och Duncan Haldane fick Nobelpriset i fysik "för de teoretiska upptäckterna av topologiska fasövergångar och topologiska faser av materien." Orden "teoretiska upptäckter" väcker tvivel om att deras arbete kommer att ha någon praktisk tillämpning eller kan påverka våra liv i framtiden. Men allt kan visa sig vara tvärtom.
För att förstå potentialen för denna upptäckt kommer det att vara till hjälp att få en förståelse av teorin. De flesta vet att det finns en kärna inne i en atom, och att elektroner kretsar kring den. Detta motsvarar olika energinivåer. När atomer grupperas och skapar någon form av materia, kombineras alla energinivåer i varje atom för att skapa zoner av elektroner. Varje så kallad energiband av elektroner har plats för ett visst antal elektroner. Och mellan varje zon finns det luckor där elektroner inte kan röra sig.
Om en elektrisk laddning (en ström av ytterligare elektroner) appliceras på ett material, bestäms dess konduktivitet av huruvida zonen för elektroner med mest energi har plats för nya elektroner. Om så är fallet kommer materialet att bete sig som en ledare. Om inte, behövs extra energi för att driva elektronflödet in i en ny tom zon. Som ett resultat kommer detta material att bete sig som en isolator. Konduktivitet är avgörande för elektronik eftersom komponenter som ledare, halvledare och dielektrik är kärnan i dess produkter.
Förutsägelserna från Kosterlitz, Thouless och Haldane på 1970- och 1980-talet är att något material inte följer denna regel. Vissa andra teoretiker stöder också deras synvinkel. De föreslog att istället för mellanrummen mellan zonerna hos elektroner, där de inte kan vara, finns det en speciell energinivå där olika och mycket oväntade saker är möjliga.
Den här egenskapen finns endast på ytan och på kanterna av sådana material och är extremt robust. Till viss del beror det också på materialets form. I fysik kallas detta topologi. I ett material i form av en sfär eller till exempel ett ägg är dessa egenskaper eller egenskaper identiska, men i en munk skiljer de sig på grund av ett hål i mitten. De första mätningarna av sådana egenskaper gjordes av strömmen längs gränsen för det plana arket.
Egenskaperna hos sådana topologiska material kan vara extremt användbara. Till exempel kan en elektrisk ström flyta på deras yta utan motstånd, även om enheten är något skadad. Superledare gör detta även utan topologiska egenskaper, men de kan bara fungera vid mycket låga temperaturer. Det vill säga en stor mängd energi kan endast användas i en kyld ledare. Topologiska material kan göra samma sak vid högre temperaturer.
Detta har viktiga konsekvenser för datorassisterat arbete. Det mesta av den energi som konsumeras av datorer i dag går till fläktar för att minska temperaturer orsakade av motstånd i kretsarna. Genom att eliminera detta värmeproblem kan datorer göras mycket mer energieffektiva. Till exempel kommer detta att leda till en betydande minskning av koldioxidutsläppen. Dessutom kommer det att vara möjligt att skapa batterier med en mycket längre livslängd. Forskare har redan påbörjat experiment med topologiska material som kadmium Tellurid och kvicksilver Tellurid för att implementera teorin i praktiken.
Dessutom är stora genombrott inom kvantberäkning möjliga. Klassiska datorer kodar data antingen genom att applicera spänning på mikrokretsen eller inte. Därför tolkar datorn detta som 0 eller 1 för varje bit av information. Genom att sätta ihop dessa bitar skapar vi mer komplexa data. Så här fungerar ett binärt system.
Kampanjvideo:
När det gäller kvantberäkning levererar vi information till elektroner, inte till mikrokretsar. Energinivåerna för sådana elektroner motsvarar nollor eller sådana som i klassiska datorer, men i kvantmekanik är detta möjligt samtidigt. Utan att gå in för mycket teori, låt oss bara säga att detta ger datorer möjlighet att bearbeta mycket stora mängder data parallellt, vilket gör dem mycket snabbare.
Företag som Google och IBM bedriver forskning för att ta reda på hur man använder manipulering av elektroner för att skapa kvantdatorer som är mycket kraftfullare än klassiska datorer. Men det finns ett stort hinder på vägen. Sådana datorer är dåligt skyddade från omgivande "brusstörningar". Om en klassisk dator kan hantera bruset kan en kvantdator producera en enorm mängd fel på grund av instabila ramar, slumpmässiga elektriska fält eller luftmolekyler som kommer in i processorn även om de hålls i ett vakuum. Detta är det främsta skälet till att vi inte använder kvantdatorer i vårt dagliga liv än.
En möjlig lösning är att lagra information inte i en, utan i flera elektroner, eftersom störningar vanligtvis påverkar kvantprocessorer på enskilda partiklar. Anta att vi har fem elektroner som tillsammans lagrar samma information. Därför, om den är lagrad korrekt i de flesta elektroner, kommer störningar som påverkar en enda elektron inte att förstöra hela systemet.
Forskare experimenterar med den så kallade majoritetsröstningen, men topologisk teknik kan erbjuda en enklare lösning. Precis som topologiska superledare kan leda strömmen av el tillräckligt för att motståndet inte stör, så kan topologiska kvantdatorer vara tillräckligt robusta och immuna mot störningar. Detta kan gå långt mot att göra kvantberäkning till verklighet. Amerikanska forskare arbetar aktivt med detta.
Framtida
Det kan ta 10 till 30 år för forskare att lära sig att manipulera elektroner tillräckligt bra för att kvantberäkning ska bli möjlig. Men redan intressanta möjligheter dyker upp. Till exempel kan sådana datorer simulera bildandet av molekyler, vilket är kvantitativt utmanande för dagens traditionella datorer. Detta har potential att revolutionera produktionen av läkemedel, eftersom vi kan förutsäga vad som kommer att hända i kroppen under kemiska processer.
Här är ett annat exempel. En kvantdator kan förvandla konstgjord intelligens till verklighet. Kvantmaskiner är bättre på att lära sig än klassiska datorer. Detta beror delvis på att mycket smartare algoritmer kan läggas i dem. Lösningen på den konstgjorda intelligensens mysterium kommer att bli en kvalitativ förändring i människans existens - det är emellertid inte känt, på bättre eller sämre.
Kort sagt, förutsägelserna från Kosterlitz, Thouless och Haldane skulle kunna revolutionera datortekniken under 2000-talet. Om Nobelkommittén har erkänt vikten av deras arbete idag, kommer vi säkert att tacka dem för många år framöver.