Britskí vedci Michael Kosterlitz, David Thouless a Duncan Haldane získali Nobelovu cenu za fyziku „za teoretické objavy topologických fázových prechodov a topologických fáz hmoty“. Slová „teoretické objavy“vyvolávajú pochybnosti o tom, že ich práca bude mať praktické uplatnenie alebo že v budúcnosti môže ovplyvniť náš život. Ale všetko sa môže ukázať ako opak.
Aby sme pochopili potenciál tohto objavu, bude užitočné porozumieť teórii. Väčšina ľudí vie, že vo vnútri atómu je jadro a okolo neho sa točí elektrón. To zodpovedá rôznym úrovniam energie. Keď sa atómy zoskupia a vytvoria nejakú hmotu, všetky energetické úrovne každého atómu sa spoja a vytvoria zóny elektrónov. Každé takzvané energetické pásmo elektrónov má priestor pre určitý počet elektrónov. A medzi každou zónou sú medzery, v ktorých sa elektróny nemôžu pohybovať.
Ak sa na materiál aplikuje elektrický náboj (prúd ďalších elektrónov), jeho vodivosť je určená tým, či má zóna elektrónov s najväčšou energiou priestor pre nové elektróny. Ak áno, materiál sa bude správať ako dirigent. Ak nie, je potrebná ďalšia energia na vytlačenie toku elektrónov do novej prázdnej zóny. Výsledkom bude, že sa tento materiál bude správať ako izolátor. Vodivosť je pre elektroniku rozhodujúca, pretože komponenty ako vodiče, polovodiče a dielektrika sú jadrom jej výrobkov.
Predpovede Kosterlitza, Thoulessa a Haldana v sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch sú také, že nejaký materiál toto pravidlo nedodržiava. Niektorí ďalší teoretici tiež podporujú ich názor. Navrhli, že namiesto medzier medzi zónami elektrónov, kde nemôžu byť, existuje špeciálna energetická úroveň, v ktorej sú možné rôzne a veľmi neočakávané veci.
Táto vlastnosť existuje iba na povrchu a na okrajoch takýchto materiálov a je mimoriadne robustná. Do istej miery to tiež závisí od tvaru materiálu. Vo fyzike sa to nazýva topológia. V materiáli v tvare gule alebo napríklad vo vajci sú tieto vlastnosti alebo vlastnosti rovnaké, ale v šišky sa líšia v dôsledku otvoru v strede. Prvé merania týchto charakteristík sa uskutočňovali prúdom pozdĺž hranice plochého listu.
Vlastnosti takýchto topologických materiálov môžu byť veľmi užitočné. Napríklad elektrický prúd môže prúdiť na ich povrch bez akéhokoľvek odporu, aj keď je zariadenie mierne poškodené. Supravodiče to robia aj bez topologických vlastností, ale môžu pracovať iba pri veľmi nízkych teplotách. To znamená, že veľké množstvo energie sa môže použiť iba v ochladenom vodiči. Topologické materiály môžu to isté robiť pri vyšších teplotách.
To má dôležité dôsledky pre prácu s počítačom. Väčšina energie, ktorú počítače dnes spotrebúvajú, ide do ventilátorov na zníženie teplôt spôsobených odporom v obvodoch. Odstránením tohto problému s vyhrievaním môžu byť počítače oveľa energeticky účinnejšie. Napríklad to povedie k výraznému zníženiu emisií uhlíka. Okrem toho bude možné vyrábať batérie s oveľa dlhšou životnosťou. Vedci už začali experimenty s topologickými materiálmi, ako je telurid kadmia a ortuťový ortuť, aby túto teóriu uviedli do praxe.
Okrem toho sú možné veľké objavy v kvantovom výpočte. Klasické počítače kódujú údaje buď pripájaním napätia na mikroobvod, alebo nie. Počítač to interpretuje ako 0 alebo 1 pre každý bit informácie. Zložením týchto bitov vytvoríme komplexnejšie údaje. Takto funguje binárny systém.
Propagačné video:
Pokiaľ ide o kvantové výpočty, dodávame informácie elektrónom, nie mikroobvodom. Úrovne energie takýchto elektrónov zodpovedajú nulám alebo elektrónom ako v klasických počítačoch, ale v kvantovej mechanike je to možné súčasne. Bez toho, aby sme prešli príliš veľa teórie, povedzme, že to počítačom umožňuje paralelne spracovávať veľmi veľké množstvo údajov, čo ich robí oveľa rýchlejšie.
Spoločnosti ako Google a IBM uskutočňujú výskum, ktorý sa snaží zistiť, ako využiť manipuláciu s elektrónmi na vytvorenie kvantových počítačov, ktoré sú oveľa výkonnejšie ako klasické počítače. Cestou je však jedna veľká prekážka. Takéto počítače sú slabo chránené pred okolitým „rušením hlukom“. Ak je klasický počítač schopný zvládnuť hluk, môže kvantový počítač spôsobiť veľké množstvo chýb v dôsledku nestabilných snímok, náhodných elektrických polí alebo molekúl vzduchu, ktoré vstupujú do procesora, aj keď sú udržiavané vo vákuu. Toto je hlavný dôvod, prečo ešte v našom každodennom živote nepoužívame kvantové počítače.
Jedným z možných riešení je ukladať informácie nie v jednom, ale v niekoľkých elektrónoch, pretože interferencia zvyčajne ovplyvňuje kvantové procesory na úrovni jednotlivých častíc. Predpokladajme, že máme päť elektrónov, ktoré spoločne ukladajú rovnaký bit informácií. Preto, ak je správne uložený vo väčšine elektrónov, potom rušenie ovplyvňujúce jeden elektrón nepoškodí celý systém.
Vedci experimentujú s týmto takzvaným väčšinovým hlasovaním, ale topologické inžinierstvo môže ponúknuť jednoduchšie riešenie. Rovnako ako topologické supravodiče dokážu viesť prúd elektriny dostatočne dobre, aby to odpor neovplyvňoval, topologické kvantové počítače môžu byť celkom spoľahlivé a necitlivé na rušenie. To by mohlo viesť k tomu, aby sa kvantové výpočty stali skutočnosťou. Americkí vedci na tom aktívne pracujú.
budúcnosť
Vedcom môže trvať 10 až 30 rokov, kým sa naučia, ako správne manipulovať s elektrónmi, aby bolo možné kvantové výpočty. Už sa však objavujú celkom zaujímavé príležitosti. Takéto počítače môžu napríklad simulovať tvorbu molekúl, čo je pre dnešné tradičné počítače kvantitatívne náročné. To má potenciál prevrátiť výrobu liekov, pretože budeme schopní predpovedať, čo sa v tele stane počas chemických procesov.
Tu je ďalší príklad. Kvantový počítač dokáže z umelej inteligencie urobiť realitu. Kvantové stroje sa učia lepšie ako klasické počítače. Čiastočne je to spôsobené skutočnosťou, že do nich možno vložiť oveľa inteligentnejšie algoritmy. Riešenie tajomstva umelej inteligencie sa stane kvalitatívnou zmenou v existencii ľudstva - nie je však známe, k lepšiemu ani k horšiemu.
Stručne povedané, predpovede Kosterlitza, Thoulessa a Haldana by mohli v 21. storočí spôsobiť revolúciu v počítačovej technike. Ak Nobelský výbor uznal význam ich práce dnes, určite im poďakujeme za mnoho ďalších rokov.