Brittiläiset tutkijat Michael Kosterlitz, David Thouless ja Duncan Haldane saivat fysiikan Nobel-palkinnon "topologisten vaihesiirtymien ja aineen topologisten vaiheiden teoreettisista löytöistä". Sanat "teoreettiset löytöt" herättävät epäilyksiä siitä, onko heidän työnsä käytännössä sovellettavissa vai voivatko ne vaikuttaa tulevaisuuden elämäämme. Mutta kaikki voi osoittautua päinvastaiseksi.
Tämän löytön mahdollisuuksien ymmärtämiseksi on hyödyllistä ymmärtää teoriaa. Useimmat ihmiset tietävät, että atomin sisällä on ydin ja että elektronit pyörivät sen ympärillä. Tämä vastaa erilaisia energiatasoja. Kun atomit ryhmittyvät yhteen ja luovat jonkinlaista ainetta, jokaisen atomin kaikki energiatasot yhdistyvät elektronien vyöhykkeiksi. Jokaisessa ns. Elektronien energiakaistalla on tilaa tietylle määrälle elektronia. Ja kunkin vyöhykkeen välillä on aukkoja, joissa elektronit eivät voi liikkua.
Jos materiaaliin kohdistetaan sähkövaraus (lisä elektronien virta), sen johtavuus määritetään sen perusteella, onko eniten energiaa sisältävien elektronien alueella tilaa uusille elektronille. Jos näin on, materiaali käyttäytyy kapellimestarina. Jos ei, tarvitaan ylimääräistä energiaa elektronien virtauksen siirtämiseksi uudelle tyhjälle alueelle. Seurauksena on, että tämä materiaali käyttäytyy eristeenä. Johtavuus on kriittinen elektroniikalle, koska komponentit, kuten johtimet, puolijohteet ja dielektrikat, ovat sen tuotteiden ytimessä.
Kosterlitzin, Thoulessin ja Haldanen ennusteiden mukaan 1970- ja 1980-luvuilla jotkut materiaalit eivät noudata tätä sääntöä. Jotkut muut teoreetikot tukevat myös heidän näkemystään. He ehdottivat, että elektronien vyöhykkeiden välisten aukkojen sijasta, missä ne eivät voi olla, on olemassa erityinen energiataso, jossa erilaiset ja hyvin odottamattomat asiat ovat mahdollisia.
Tämä ominaisuus esiintyy vain tällaisten materiaalien pinnalla ja reunoilla ja on erittäin kestävä. Tietyssä määrin se riippuu myös materiaalin muodosta. Fysiikassa tätä kutsutaan topologiaksi. Pallon tai esimerkiksi munan muodossa olevassa materiaalissa nämä ominaisuudet tai ominaisuudet ovat identtisiä, mutta donitsissa ne eroavat keskireiän takia. Ensimmäiset mittaukset tällaisista ominaisuuksista tehtiin virtauksella litteän levyn rajaa pitkin.
Tällaisten topologisten materiaalien ominaisuudet voivat olla erittäin hyödyllisiä. Esimerkiksi sähkövirta voi virtata niiden pinnalle ilman mitään vastustusta, vaikka laite olisi vaurioitunut hieman. Suprajohtajat tekevät tämän jopa ilman topologisia ominaisuuksia, mutta ne voivat toimia vain hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Toisin sanoen suurta määrää energiaa voidaan käyttää vain jäähdytetyssä johtimessa. Topologiset materiaalit voivat tehdä saman korkeissa lämpötiloissa.
Tällä on tärkeitä vaikutuksia tietokoneavusteiseen työhön. Suurin osa tietokoneiden nykyisestä energiankulutuksesta menee puhaltimille piirejen lämpötilojen alentamiseksi. Poistamalla tämä lämmitysongelma, tietokoneista voidaan tehdä paljon energiatehokkaampia. Esimerkiksi tämä johtaa hiilidioksidipäästöjen merkittävään vähentämiseen. Lisäksi on mahdollista valmistaa paristoja, joilla on paljon pidempi käyttöikä. Tutkijat ovat jo aloittaneet kokeet topologisilla materiaaleilla, kuten kadmiumtelluridilla ja elohopeatelluridilla, teorian toteuttamiseksi käytännössä.
Lisäksi suuret läpimurtot kvanttilaskennassa ovat mahdollisia. Klassiset tietokoneet koodaavat tietoja joko syöttämällä jännitettä mikropiiriin vai ei. Vastaavasti tietokone tulkitsee tämän arvoksi 0 tai 1 jokaiselle informaatiobitille. Laittamalla nämä bitit yhteen luodaan monimutkaisempi data. Näin binaarijärjestelmä toimii.
Mainosvideo:
Kun kyse on kvanttilaskennasta, toimitamme tietoa elektronille, ei mikrosirille. Tällaisten elektronien energiatasot vastaavat nollia tai niitä, jotka ovat klassisissa tietokoneissa, mutta kvanttimekaniikassa tämä on mahdollista samanaikaisesti. Tutkimatta liikaa teoriaa, sanotaan vain, että tämä antaa tietokoneille mahdollisuuden käsitellä erittäin suuria määriä tietoja samanaikaisesti, mikä tekee niistä paljon nopeampia.
Yritykset, kuten Google ja IBM, tekevät tutkimusta yrittääkseen selvittää, kuinka elektronien käsittelyä voidaan käyttää kvantitietokoneiden luomiseen, jotka ovat paljon tehokkaampia kuin klassiset tietokoneet. Mutta matkalla on yksi suuri este. Tällaiset tietokoneet ovat huonosti suojattu ympäröiviltä "kohinahäiriöiltä". Jos klassinen tietokone pystyy selviytymään melusta, niin kvantitietokone voi tuottaa valtavan määrän virheitä epävakaiden kehysten, satunnaisten sähkökenttien tai ilmamolekyylien takia, jotka tulevat prosessoriin, vaikka sitä pidetään tyhjiössä. Tämä on tärkein syy, miksi emme vielä käytä kvantitietokoneita päivittäisessä elämässämme.
Yksi mahdollinen ratkaisu on tallentaa tietoa ei yhteen, vaan useisiin elektroneihin, koska häiriöt vaikuttavat yleensä kvantiprosessoreihin yksittäisten hiukkasten tasolla. Oletetaan, että meillä on viisi elektronia, jotka yhdessä tallentavat saman vähän tietoa. Siksi, jos se on varastoitu oikein useimmissa elektroneissa, niin yksittäiseen elektroniin vaikuttavat häiriöt eivät pilaa koko järjestelmää.
Tutkijat kokeilevat tätä ns. Enemmistöäänestystä, mutta topologinen tekniikka voi tarjota helpomman ratkaisun. Aivan kuten topologiset suprajohtajat voivat johtaa sähkön virtausta riittävän hyvin, että vastus ei häiritse, topologiset kvantitietokoneet voivat olla riittävän kestäviä ja immuuneja häiriöille. Tällä voitaisiin mennä pitkälle kohti kvanttilaskentaa todellisuudeksi. Amerikkalaiset tutkijat työskentelevät aktiivisesti tämän hyväksi.
tulevaisuus
Voi kestää 10–30 vuotta, ennen kuin tutkijat oppivat käsittelemään elektronia riittävän hyvin kvanttilaskennan mahdollistamiseksi. Mutta melko mielenkiintoisia mahdollisuuksia on jo syntymässä. Tällaiset tietokoneet voivat esimerkiksi simuloida molekyylien muodostumista, mikä on kvantitatiivisesti haastava nykypäivän perinteisille tietokoneille. Tällä on potentiaali mullistaa huumeiden tuotantoa, koska pystymme ennustamaan, mitä kehossa tapahtuu kemiallisten prosessien aikana.
Tässä on toinen esimerkki. Kvantitietokone voi muuttaa tekoälyn todellisuudeksi. Kvanttikoneet oppivat paremmin kuin klassiset tietokoneet. Tämä johtuu osittain siitä, että niihin voidaan laittaa paljon älykkäämpiä algoritmeja. Teknisen älykkyyden mysteeriratkaisusta tulee laadullinen muutos ihmiskunnan olemassaolossa - sitä ei kuitenkaan tunneta, parempaan tai huonompaan.
Lyhyesti sanottuna Kosterlitzin, Thoulessin ja Haldanen ennusteet voivat mullistaa tietotekniikan 2000-luvulla. Jos Nobel-komitea on tunnustanut heidän työnsä tärkeyden tänään, kiitämme varmasti heitä tulevina vuosina.