Britu zinātnieki Maikls Kosterlics, Deivids Touless un Duncan Haldane saņēma Nobela prēmiju fizikā "par topoloģisko fāžu pāreju un matērijas topoloģisko fāžu teorētiskiem atklājumiem". Vārdi “teorētiski atklājumi” rada šaubas, vai viņu darbam būs kāds praktisks pielietojums vai tas varētu ietekmēt mūsu dzīvi nākotnē. Bet viss var izrādīties tieši pretējs.
Lai izprastu šī atklājuma potenciālu, būs noderīgi iegūt izpratni par teoriju. Lielākā daļa cilvēku zina, ka atoma iekšpusē ir kodols un ap to rotē elektroni. Tas atbilst dažādiem enerģijas līmeņiem. Kad atomi sagrupējas un rada sava veida matēriju, visi katra atoma enerģijas līmeņi apvienojas, veidojot elektronu zonas. Katrā tā saucamajā elektronu enerģijas joslā ir vieta noteiktam elektronu skaitam. Un starp katru zonu ir spraugas, kurās elektroni nevar pārvietoties.
Ja materiālam tiek uzlikts elektriskais lādiņš (papildu elektronu plūsma), tā vadītspēju nosaka pēc tā, vai elektronu zonā ar vislielāko enerģiju ir vieta jauniem elektroniem. Ja tā, materiāls izturēsies kā diriģents. Ja nē, ir nepieciešama papildu enerģija, lai elektronu plūsma nonāktu jaunā tukšajā zonā. Tā rezultātā šis materiāls izturēsies kā izolators. Vadītspēja ir kritiska elektronikai, jo tās izstrādājumu centrā ir tādi komponenti kā vadītāji, pusvadītāji un dielektriķi.
Kosterlica, Thouless un Haldane prognozes 70. un 1980. gados ir tādas, ka daži materiāli nepakļaujas šim noteikumam. Arī daži citi teorētiķi atbalsta viņu viedokli. Viņi ieteica, ka atšķirību vietā starp elektronu zonām, kur tās nevar atrasties, ir īpašs enerģijas līmenis, kurā iespējamas dažādas un ļoti negaidītas lietas.
Šis īpašums pastāv tikai uz šādu materiālu virsmas un malām un ir īpaši izturīgs. Zināmā mērā tas ir atkarīgs arī no materiāla formas. Fizikā to sauc par topoloģiju. Materiālam lodes vai, piemēram, olšūnas formā, šīs īpašības vai raksturlielumi ir identiski, bet virtulē tie atšķiras cauruma vidū. Pirmie šādu raksturlielumu mērījumi tika veikti ar strāvu gar plakanās loksnes robežu.
Šādu topoloģisko materiālu īpašības var būt ārkārtīgi noderīgas. Piemēram, elektriskā strāva var plūst uz viņu virsmas bez jebkādas pretestības, pat ja ierīce ir nedaudz bojāta. Supravadītāji to dara pat bez topoloģiskām īpašībām, taču tie var darboties tikai ļoti zemā temperatūrā. Tas ir, lielu enerģijas daudzumu var izmantot tikai atdzesētā vadītājā. Topoloģiski materiāli to var izdarīt arī augstākā temperatūrā.
Tam ir liela ietekme uz darbu ar datoru. Lielākā daļa enerģijas, ko šodien patērē datori, nonāk ventilatoros, lai samazinātu temperatūru, ko rada ķēžu pretestība. Novēršot šo apkures problēmu, datorus var padarīt daudz energoefektīvākus. Piemēram, tas novedīs pie ievērojama oglekļa emisiju samazinājuma. Turklāt būs iespējams izgatavot baterijas ar daudz ilgāku kalpošanas laiku. Zinātnieki jau ir sākuši eksperimentus ar topoloģiskiem materiāliem, piemēram, kadmija telurīdu un dzīvsudraba telurīdu, lai teoriju ieviestu praksē.
Turklāt ir iespējami lieli sasniegumi kvantu skaitļošanā. Klasiskie datori kodē datus, vai nu piemērojot mikroshēmai spriegumu, vai nē. Attiecīgi dators to interpretē kā 0 vai 1 par katru informācijas bitu. Saliekot šos bitus, mēs izveidojam sarežģītākus datus. Tādējādi darbojas binārā sistēma.
Reklāmas video:
Runājot par kvantu skaitļošanu, mēs piegādājam informāciju elektroniem, nevis mikroshēmām. Šādu elektronu enerģijas līmeņi atbilst nullēm vai tādām, kādas ir klasiskajos datoros, bet kvantu mehānikā tas ir iespējams vienlaicīgi. Neiedziļinoties pārāk daudz teorijā, pieņemsim tikai to, ka tas dod datoriem iespēju vienlaikus apstrādāt ļoti lielu datu daudzumu, padarot tos daudz ātrākus.
Uzņēmumi, piemēram, Google un IBM, veic pētījumus, mēģinot izdomāt, kā izmantot manipulācijas ar elektroniem, lai izveidotu kvantu datorus, kas ir daudz jaudīgāki nekā klasiskie datori. Bet pa ceļam ir viens būtisks šķērslis. Šādi datori ir slikti aizsargāti no apkārtējiem "trokšņa traucējumiem". Ja klasiskais dators spēj tikt galā ar troksni, tad kvantu dators var radīt ļoti dažādas kļūdas nestabilu kadru, nejaušu elektrisko lauku vai gaisa molekulu dēļ, kas nonāk procesorā, pat ja to tur vakuumā. Tas ir galvenais iemesls, kāpēc mēs ikdienā vēl neizmantojam kvantu datorus.
Viens no iespējamiem risinājumiem ir informācijas uzkrāšana nevis vienā, bet vairākos elektronos, jo traucējumi parasti ietekmē kvantu procesorus atsevišķu daļiņu līmenī. Pieņemsim, ka mums ir pieci elektroni, kas kopā uzglabā to pašu informācijas daudzumu. Tāpēc, ja tas tiek pareizi glabāts lielākajā daļā elektronu, tad traucējumi, kas ietekmē vienu elektronu, nesabojās visu sistēmu.
Zinātnieki eksperimentē ar tā dēvēto balsu vairākumu, bet topoloģiskā inženierija var piedāvāt vieglāku risinājumu. Tāpat kā topoloģiskie supravadītāji var pietiekami labi vadīt elektrības plūsmu, lai pretestība netraucētu, topoloģiskie kvantu datori var būt pietiekami izturīgi un imūni pret traucējumiem. Tas varētu ievērojami uzlabot kvantu skaitļošanas realitāti. Amerikāņu zinātnieki aktīvi strādā pie tā.
Nākotne
Var paiet 10 līdz 30 gadi, līdz zinātnieki iemācīsies manipulēt ar elektroniem pietiekami labi, lai kvantu skaitļošana kļūtu iespējama. Bet diezgan interesantas iespējas jau parādās. Piemēram, šādi datori var simulēt molekulu veidošanos, kas kvantitatīvi izaicina mūsdienu tradicionālos datorus. Tam ir potenciāls veikt revolūciju narkotiku ražošanā, jo mēs varēsim paredzēt, kas notiks organismā ķīmisko procesu laikā.
Šeit ir vēl viens piemērs. Kvantu dators mākslīgo intelektu var pārvērst realitātē. Kvantu mašīnas labāk apgūst nekā klasiskie datori. Daļēji tas ir saistīts ar faktu, ka tajos var ievietot daudz gudrākus algoritmus. Risinājums mākslīgā intelekta noslēpumam kļūs par kvalitatīvām izmaiņām cilvēces pastāvēšanā - tomēr tas nav zināms, labāk vai sliktāk.
Īsāk sakot, Kosterlicas, Thouless un Haldanas prognozes varētu 21. gadsimtā mainīt datoru tehnoloģijas. Ja Nobela komiteja šodien ir atzinusi viņu darba nozīmīgumu, mēs noteikti viņiem pateiksimies daudzus gadus uz priekšu.