Britští vědci Michael Kosterlitz, David Thouless a Duncan Haldane obdrželi Nobelovu cenu za fyziku „za teoretické objevy topologických fázových přechodů a topologických fází hmoty“. Slova „teoretické objevy“vyvolávají pochybnosti o tom, že jejich práce bude mít praktické uplatnění nebo může ovlivnit náš život v budoucnosti. Ale všechno se může ukázat jako pravý opak.
Abychom pochopili potenciál tohoto objevu, bude užitečné porozumět teorii. Většina lidí ví, že uvnitř atomu je jádro a že kolem něj se točí elektrony. To odpovídá různým úrovním energie. Když se atomy seskupí a vytvoří nějaký druh hmoty, všechny energetické úrovně každého atomu se spojí a vytvoří zóny elektronů. Každé takzvané energetické pásmo elektronů má prostor pro určitý počet elektronů. A mezi každou zónou jsou mezery, ve kterých se elektrony nemohou pohybovat.
Pokud je na materiál aplikován elektrický náboj (proud dalších elektronů), je jeho vodivost určena tím, zda zóna elektronů s největší energií má prostor pro nové elektrony. Pokud ano, bude se materiál chovat jako dirigent. Pokud tomu tak není, je potřeba další energie, aby se proud elektronů dostal do nové prázdné zóny. Výsledkem bude, že se tento materiál bude chovat jako izolátor. Vodivost je pro elektroniku zásadní, protože součásti, jako jsou vodiče, polovodiče a dielektrika, jsou jádrem jejích produktů.
Předpovědi Kosterlitze, Thoulesse a Haldana v sedmdesátých a osmdesátých letech jsou takové, že některé materiály toto pravidlo nedodržují. Někteří další teoretici také podporují jejich názor. Navrhli, že místo mezer mezi zónami elektronů, kde nemohou být, existuje zvláštní úroveň energie, ve které jsou možné různé a velmi neočekávané věci.
Tato vlastnost existuje pouze na povrchu a na okrajích takových materiálů a je extrémně robustní. Do jisté míry to také závisí na tvaru materiálu. Ve fyzice se tomu říká topologie. U materiálu ve tvaru koule nebo například vejce jsou tyto vlastnosti nebo vlastnosti identické, ale u koblihy se liší díky díře uprostřed. První měření těchto charakteristik bylo provedeno proudem podél hranice plochého listu.
Vlastnosti těchto topologických materiálů mohou být velmi užitečné. Například na jejich povrchu může proudit elektrický proud bez jakéhokoli odporu, i když je zařízení mírně poškozeno. Supravodiče to dělají i bez topologických vlastností, ale mohou pracovat pouze při velmi nízkých teplotách. To znamená, že velké množství energie lze použít pouze v chlazeném vodiči. Topologické materiály mohou dělat totéž při vyšších teplotách.
To má důležité důsledky pro práci s počítačem. Většina energie, kterou dnes spotřebovávají počítače, směřuje do ventilátorů, aby snížila teploty způsobené odporem v obvodech. Odstraněním tohoto problému s vytápěním mohou být počítače mnohem energeticky účinnější. To například povede k významnému snížení emisí uhlíku. Kromě toho bude možné vyrábět baterie s mnohem delší životností. Vědci již začali experimentovat s topologickými materiály, jako je telurid kadmia a rtuťový telurid, aby tuto teorii uvedli do praxe.
Kromě toho jsou možné velké průlomy v kvantovém počítání. Klasické počítače kódují data buď přivedením napětí na mikroobvod, nebo ne. Počítač jej proto interpretuje jako 0 nebo 1 pro každý bit informace. Spojením těchto bitů vytváříme složitější data. Takto funguje binární systém.
Propagační video:
Pokud jde o kvantové výpočty, dodáváme informace elektronům, nikoli mikroobvodům. Energetické hladiny takových elektronů odpovídají nulám nebo elektronům jako v klasických počítačích, ale v kvantové mechanice je to možné současně. Aniž bychom se zabývali příliš velkou teorií, řekněme jen, že to dává počítačům možnost zpracovávat velmi velké množství dat paralelně, což je činí mnohem rychlejšími.
Společnosti jako Google a IBM provádějí výzkum, který se snaží zjistit, jak pomocí manipulace s elektrony vytvořit kvantové počítače, které jsou mnohem silnější než klasické počítače. Na cestě je ale jedna hlavní překážka. Takové počítače jsou špatně chráněny před okolním „rušením šumem“. Pokud je klasický počítač schopen se zvukem vyrovnat, může kvantový počítač způsobit obrovské množství chyb v důsledku nestabilních rámců, náhodných elektrických polí nebo molekul vzduchu, které vstupují do procesoru, i když jsou udržovány ve vakuu. To je hlavní důvod, proč v našem každodenním životě ještě nepoužíváme kvantové počítače.
Jedním z možných řešení je ukládat informace nikoli v jednom, ale v několika elektronech, protože interference obvykle ovlivňují kvantové procesory na úrovni jednotlivých částic. Předpokládejme, že máme pět elektronů, které společně ukládají stejný bit informací. Pokud je tedy ve většině elektronů správně uložen, pak interference ovlivňující jediný elektron nezkazí celý systém.
Vědci experimentují s takzvaným většinovým hlasováním, ale topologické inženýrství může nabídnout jednodušší řešení. Stejně jako topologické supravodiče dokážou vést proud elektřiny dostatečně dobře, aby odpor nezasahoval, topologické kvantové počítače mohou být dostatečně robustní a odolné vůči rušení. To by mohlo jít dlouhou cestou k tomu, aby se kvantové výpočty staly realitou. Američtí vědci na tom aktivně pracují.
Budoucnost
Vědcům může trvat 10 až 30 let, než se naučí, jak správně manipulovat s elektrony, aby bylo možné kvantové zpracování. Ale už se objevují docela zajímavé příležitosti. Takové počítače mohou například simulovat tvorbu molekul, což je pro dnešní tradiční počítače kvantitativně náročné. To má potenciál revoluci ve výrobě léčiv, protože budeme schopni předpovídat, co se v těle během chemických procesů stane.
Zde je další příklad. Kvantový počítač dokáže umělou inteligenci proměnit ve skutečnost. Kvantové stroje se učí lépe než klasické počítače. To je částečně způsobeno skutečností, že do nich lze vložit mnohem chytřejší algoritmy. Řešení tajemství umělé inteligence se stane kvalitativní změnou v existenci lidstva - není však známo, k lepšímu ani k horšímu.
Stručně řečeno, předpovědi Kosterlitze, Thoulesse a Haldana by mohly ve 21. století revolucionizovat počítačovou technologii. Pokud Nobelův výbor uznal význam jejich práce dnes, určitě jim za mnoho let děkujeme.