Briti teadlased Michael Kosterlitz, David Thouless ja Duncan Haldane said füüsika Nobeli preemia "topoloogiliste faasisiirete ja aine topoloogiliste faaside teoreetiliste avastuste eest". Sõnad "teoreetilised avastused" tekitavad kahtlusi, kas nende töö on praktiliselt kasutatav või võib see tulevikus meie elu mõjutada. Kuid kõik võib osutuda just vastupidiseks.
Selle avastuse võimaluste mõistmiseks on abiks teooria mõistmine. Enamik inimesi teab, et aatomi sees on tuum ja elektronid keerlevad selle ümber. See vastab erinevatele energiatasanditele. Kui aatomid rühmituvad ja loovad mingisuguse mateeria, ühendavad iga aatomi kõik energiatasemed elektronide tsoone. Igas elektronide niinimetatud energiaribas on ruumi teatud arvu elektronide jaoks. Ja iga tsooni vahel on lüngad, milles elektronid ei saa liikuda.
Kui materjalile rakendatakse elektrilaengut (täiendavate elektronide voog), määratakse selle juhtivus kindlaks selle järgi, kas kõige energilisema elektronide tsoonis on ruumi uute elektronide jaoks. Kui jah, käitub materjal dirigendina. Kui ei, siis on vaja lisaenergiat, et suruda elektronide vool uude tühja tsooni. Selle tulemusel käitub see materjal nagu isolaator. Juhtivus on elektroonika jaoks kriitilise tähtsusega, kuna komponendid nagu juhtmed, pooljuhid ja dielektrikud on selle toodete tuum.
1970. ja 1980. aastate Kosterlitzi, Thoulessi ja Haldane'i ennustused on, et mõned materjalid ei järgi seda reeglit. Nende seisukohta toetavad ka mõned teised teoreetikud. Nad tegid ettepaneku, et elektronide tsoonide vaheliste tühikute asemel, kus nad ei saa olla, on olemas spetsiaalne energiatase, milles on võimalikud erinevad ja väga ootamatud asjad.
See omadus eksisteerib ainult selliste materjalide pinnal ja servades ning on äärmiselt vastupidav. Teatud määral sõltub see ka materjali kujust. Füüsikas nimetatakse seda topoloogiaks. Kerakujulises või näiteks munakujulises materjalis on need omadused või omadused identsed, kuid sõõrikujul erinevad nad keset augu tõttu. Selliste karakteristikute esimesed mõõtmised tehti vooluga, mis kulgeb piki lehtpleki piiri.
Selliste topoloogiliste materjalide omadused võivad olla äärmiselt kasulikud. Näiteks võib nende pinnale voolata elektrivool ilma igasuguse takistuseta, isegi kui seade on veidi kahjustatud. Ülijuhid teevad seda isegi ilma topoloogiliste omadusteta, kuid nad võivad töötada ainult väga madalatel temperatuuridel. See tähendab, et suurt hulka energiat saab kasutada ainult jahutatud juhis. Topoloogilised materjalid võivad sama teha ka kõrgematel temperatuuridel.
Sellel on oluline mõju arvutipõhisele tööle. Enamik arvutite tarbitavast energiast läheb täna ventilaatoritele, et vähendada ahelate takistusest põhjustatud temperatuure. Selle kütteprobleemi kõrvaldades saab arvuteid muuta palju energiatõhusamaks. Näiteks toob see kaasa süsinikuheite olulise vähenemise. Lisaks on võimalik valmistada akusid, mille kasutusiga on palju pikem. Teooria rakendamiseks on teadlased juba alustanud eksperimente topoloogiliste materjalidega nagu kaadmiumtelluriid ja elavhõbetelluuriid.
Lisaks on kvantarvutites võimalik suuri läbimurdeid. Klassikalised arvutid kodeerivad andmeid kas mikrolülituse pingega või mitte. Vastavalt sellele tõlgendab arvuti seda väärtuseks 0 või 1 iga teabe bitti kohta. Neid bitte kokku pannes loome keerukamad andmed. Nii töötab binaarsüsteem.
Reklaamvideo:
Kui tegemist on kvantarvutusega, edastame informatsiooni elektronidele, mitte mikrolülitustele. Selliste elektronide energiatase vastab nullile või sellisele nagu klassikalistes arvutites, kuid kvantmehaanikas on see võimalik samaaegselt. Laskumata liiga palju teooriat, ütleme lihtsalt, et see annab arvutitele võimaluse töödelda paralleelselt väga suuri andmemahte, muutes need palju kiiremaks.
Sellised ettevõtted nagu Google ja IBM viivad läbi uuringuid, püüdes välja mõelda, kuidas kasutada elektronidega manipuleerimist kvantarvutite loomiseks, mis on palju võimsamad kui klassikalised arvutid. Kuid teel on üks suur takistus. Sellised arvutid on ümbritseva mürahäirete eest halvasti kaitstud. Kui klassikaline arvuti suudab müraga hakkama saada, siis kvantarvuti võib ebastabiilsete kaadrite, juhuslike elektriväljade või protsessorisse sisenevate õhumolekulide tõttu tekitada tohutult erinevaid vigu, isegi kui neid hoitakse vaakumis. See on peamine põhjus, miks me veel igapäevases elus kvantarvuteid ei kasuta.
Üks võimalik lahendus on teabe salvestamine mitte ühes, vaid mitmes elektronis, kuna tavaliselt mõjutavad häired kvantprotsessoreid üksikute osakeste tasemel. Oletame, et meil on viis elektronit, mis üheskoos salvestavad sama natuke teavet. Seega, kui seda hoitakse enamikus elektronides õigesti, ei riku üksikut elektroni mõjutavad häired kogu süsteemi.
Teadlased katsetavad seda nn enamuse hääletust, kuid topoloogiline inseneriteadus võib pakkuda lihtsamat lahendust. Nii nagu topoloogilised ülijuhid suudavad elektrivoolu juhtida piisavalt hästi, et takistus ei häiri, võivad topoloogilised kvantarvutid olla piisavalt vastupidavad ja häirete suhtes immuunsed. Sellega saab kvantarvutuste tegelikkuseks muutmisel minna kaugele. Ameerika teadlased töötavad selle nimel aktiivselt.
Tulevik
Elektronide manipuleerimise õppimiseks piisavalt hästi kulub teadlastel 10–30 aastat, et kvantarvutamine oleks võimalik. Kuid üsna huvitavaid võimalusi on juba tekkimas. Näiteks võivad sellised arvutid simuleerida molekulide moodustumist, mis on kvantitatiivselt keeruline tänapäeva traditsiooniliste arvutite jaoks. Sellel on potentsiaal muuta ravimite tootmine revolutsiooniliseks, kuna suudame ennustada, mis kehas toimub keemiliste protsesside käigus.
Siin on veel üks näide. Kvantarvuti suudab tehisintellekti reaalsuseks muuta. Kvantmasinad õpivad paremini kui klassikalised arvutid. Osaliselt on see tingitud asjaolust, et neisse saab panna palju nutikamaid algoritme. Tehisintellekti mõistatuse lahenduseks saab inimkonna olemasolu kvalitatiivne muutus - siiski pole teada, parem või halvem.
Lühidalt - Kosterlitzi, Thoulessi ja Haldane'i ennustused võivad 21. sajandil arvutitehnoloogia pöörde muuta. Kui Nobeli komitee on tunnistanud nende töö olulisust täna, siis täname neid kindlasti paljude aastate jooksul.
