Britų mokslininkai Michaelas Kosterlitzas, Davidas Thoulessas ir Duncanas Haldane'as gavo Nobelio fizikos premiją „už teorinius topologinių ir materijos topologinių fazių perėjimų atradimus“. Žodžiai „teoriniai atradimai“kelia abejonių, ar jų darbas bus praktiškai pritaikytas ar gali turėti įtakos mūsų gyvenimui ateityje. Bet viskas gali pasirodyti visiškai priešingai.
Norint suprasti šio atradimo potencialą, bus naudinga įgyti teorijos supratimą. Dauguma žmonių žino, kad atomo viduje yra branduolys ir aplink jį sukasi elektronai. Tai atitinka skirtingus energijos lygius. Kai atomai grupuojasi ir sukuria tam tikrą materiją, visi kiekvieno atomo energijos lygiai susilieja ir sukuria elektronų zonas. Kiekvienoje vadinamoje elektronų energetinėje juostoje yra vietos tam tikram elektronų skaičiui. Tarp kiekvienos zonos yra tarpų, kuriuose elektronai negali judėti.
- „Salik.biz“
Jei medžiagai taikomas elektros krūvis (papildomų elektronų srautas), jos laidumas nustatomas pagal tai, ar daugiausiai energijos turinčių elektronų zonoje yra vietos naujiems elektronams. Jei taip, medžiaga elgsis kaip laidininkė. Jei ne, reikia papildomos energijos, kad elektronų srautas būtų nukreiptas į naują tuščią zoną. Dėl to ši medžiaga elgsis kaip izoliatorius. Laidumas elektronikai yra kritinis, nes komponentai, tokie kaip laidininkai, puslaidininkiai ir dielektrikai, yra jo gaminių pagrindas.
Aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose Kosterlitz, Tlessless ir Haldane prognozuoja, kad kai kurios medžiagos nepaklūsta šiai taisyklei. Kai kurie kiti teoretikai taip pat palaiko jų požiūrį. Jie pasiūlė, kad vietoj tarpų tarp elektronų zonų, kur jų negali būti, yra specialus energijos lygis, kuriame galimi skirtingi ir labai netikėti dalykai.
Ši savybė egzistuoja tik tokių medžiagų paviršiuje ir kraštuose ir yra ypač tvirta. Tam tikru mastu tai taip pat priklauso nuo medžiagos formos. Fizikoje tai vadinama topologija. Medžiagoje, kurios formos rutulys arba, pavyzdžiui, kiaušinis, šios savybės ar savybės yra tapačios, tačiau spurgos jos skiriasi dėl skylės viduryje. Pirmieji tokių charakteristikų matavimai buvo atlikti pagal srovę išilgai plokščio lapo krašto.
Tokių topologinių medžiagų savybės gali būti nepaprastai naudingos. Pavyzdžiui, elektros srovė gali tekėti ant jų paviršiaus be jokio pasipriešinimo, net kai prietaisas yra šiek tiek pažeistas. Superlaidininkai tai daro net neturėdami topologinių savybių, tačiau jie gali veikti tik labai žemoje temperatūroje. Tai yra, didelis energijos kiekis gali būti sunaudotas tik atvėsintame laidininke. Topologinės medžiagos tą patį gali padaryti aukštesnėje temperatūroje.
Tai turi reikšmingą poveikį kompiuteriu paremtam darbui. Didžioji dalis kompiuterių sunaudojamos energijos šiandien atitenka ventiliatoriams, kad sumažintų temperatūrą, kurią sukelia grandinių atsparumas. Pašalinus šią šildymo problemą, kompiuteriai gali būti žymiai efektyvesni energijoje. Pavyzdžiui, tai leis žymiai sumažinti išmetamo anglies kiekį. Be to, iš baterijų bus galima pagaminti daug ilgesnį tarnavimo laiką. Kad teorija būtų pritaikyta praktikoje, mokslininkai jau pradėjo eksperimentus su topologinėmis medžiagomis, tokiomis kaip kadmio teliuridas ir gyvsidabrio teliuridas.
Be to, galimi dideli kvantinio skaičiavimo proveržiai. Klasikiniai kompiuteriai koduoja duomenis naudodami įtampą mikro grandinėje arba ne. Atitinkamai, kompiuteris tai supranta kaip 0 arba 1 kiekvienai informacijos daliai. Sudedant šiuos bitus, mes sukuriame sudėtingesnius duomenis. Taip veikia dvejetainė sistema.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kalbant apie kvantinį skaičiavimą, mes perduodame informaciją elektronams, o ne mikroschemoms. Tokių elektronų energijos lygiai atitinka nulius arba tokius, kokie yra klasikiniuose kompiuteriuose, tačiau kvantinėje mechanikoje tai įmanoma vienu metu. Nesigilindami į per daug teoriją, sakykim, kad tai kompiuteriams suteikia galimybę apdoroti labai didelius duomenų kiekius lygiagrečiai, todėl jie tampa daug greitesni.
Tokios kompanijos kaip „Google“ir IBM vykdo tyrimus, bandydamos išsiaiškinti, kaip manipuliuoti elektronais galima panaudoti kvantinius kompiuterius, kurie yra daug galingesni nei klasikiniai kompiuteriai. Tačiau pakeliui yra viena pagrindinė kliūtis. Tokie kompiuteriai yra prastai apsaugoti nuo aplinkinių „triukšmo trukdžių“. Jei klasikinis kompiuteris sugeba susidoroti su triukšmu, tai kvantinis kompiuteris gali sukelti didžiulę klaidų įvairovę dėl nestabilių kadrų, atsitiktinių elektrinių laukų ar oro molekulių, patenkančių į procesorių net ir laikant vakuume. Tai yra pagrindinė priežastis, kodėl mes dar nenaudojame kvantinių kompiuterių savo kasdieniame gyvenime.
Vienas iš galimų sprendimų yra saugoti informaciją ne viename, o keliuose elektronuose, nes trukdžiai paprastai veikia kvantinius procesorius atskirų dalelių lygyje. Tarkime, kad turime penkis elektronus, kurie kartu kaupia tą pačią informaciją. Taigi, jei jis teisingai laikomas daugumoje elektronų, trikdžiai, turintys įtakos vienam elektronui, nesugadins visos sistemos.
Mokslininkai eksperimentuoja su tokiu vadinamuoju daugumos balsavimu, tačiau topologinė inžinerija gali pasiūlyti lengvesnį sprendimą. Kaip topologiniai superlaidininkai gali pakankamai gerai vykdyti elektros srautą, kad atsparumas netrukdytų, topologiniai kvantiniai kompiuteriai gali būti pakankamai tvirti ir neatsparūs trukdžiams. Tai galėtų nuveikti ilgą kelią, kad kvantiniai skaičiavimai taptų realybe. Amerikos mokslininkai prie to aktyviai dirba.
Ateitis
Mokslininkams gali prireikti nuo 10 iki 30 metų, kad jie išmoktų pakankamai gerai manipuliuoti elektronais, kad būtų galima atlikti kvantinį skaičiavimą. Tačiau jau atsiranda gana įdomių galimybių. Pavyzdžiui, tokie kompiuteriai gali imituoti molekulių susidarymą, o tai kiekybiškai sudėtinga šių dienų tradiciniams kompiuteriams. Tai gali pakeisti narkotikų gamybą, nes mes galėsime nuspėti, kas įvyks organizme vykstant cheminiams procesams.
Štai dar vienas pavyzdys. Kvantinis kompiuteris dirbtinį intelektą gali paversti realybe. Kvantiniai aparatai geriau mokosi nei klasikiniai kompiuteriai. Iš dalies taip yra dėl to, kad juose galima išdėstyti daug protingesnius algoritmus. Dirbtinio intelekto slėpinio sprendimas taps kokybiškais žmonijos egzistencijos pokyčiais - vis dėlto nėra žinoma, geriau ar blogiau.
Trumpai tariant, „Kosterlitz“, „Thouless“ir „Haldane“prognozės gali pakeisti kompiuterinę technologiją XXI amžiuje. Jei Nobelio komitetas pripažino jų darbo svarbą šiandien, mes tikrai jiems padėkosime už daugelį metų.