Идеи нобелевских лауреатов по физике могут перевернуть мир технологий

Британские ученые Дэвид Таулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц получили в этом году Нобелевскую премию по физике «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества». Упоминание «теоретических открытий» наводит на мысль, что их работа не нашла или не найдет практического применения и не повлияет на нашу жизнь. Но верно как раз обратное.

Чтобы понять потенциал, нужно понять теорию. Большинство людей знают, что в центре атома его ядро, а вокруг него вращаются электроны. Их орбиты соответствуют разным уровням энергии. Когда атомы собираются в вещество, все уровни энергии каждого атома соединяются в зоны электронов. Эти энергетические зоны вмещают определенное число электронов. И между всеми зонами имеются пробелы, в которых электроны течь не могут.

Если применить электрический заряд (поток дополнительных электронов) к материалу, его проводимость будет определяться тем, есть ли в самой высокоэнергетической зоне место для лишних электронов. Если это место есть, материал будет вести себя как проводник. Если нет, потребуется дополнительная энергия, чтобы подтолкнуть поток электронов в новую пустую зону. Тогда материал будет диэлектриком. Понимание проводимости имеет важное значение для электроники, поскольку электронные продукты целиком зависят от компонентов, которые представляют собой проводники, полупроводники и диэлектрики.

В 1970-х и 80-х годах Таулесс, Холдейн и Костерлиц, а также другие теоретики начали подозревать, что некоторые материалы нарушают это правило. Вместо того чтобы иметь пробел между зонами, в котором электроны не могут течь, они имеют специальный энергетический уровень между зонами, где происходят странные и неожиданные вещи.

Это свойство существует лишь на поверхности или на кромке таких материалов. Оно также зависит в некоторой степени от формы материала - топологии, как говорят физики. Оно проявляется одинаково для сферы или яйца, например, но будет совсем другим с тором из-за дырки в середине. Первые измерения такого рода поведения были сделаны с током, текущим вдоль границы плоского листа.

Вычислительная сила

Свойства таких топологических материалов могут оказаться чрезвычайно полезными. Электрические токи могут двигаться без сопротивления по их поверхностям, например, даже если устройство слегка повреждено. Сверхпроводники уже делают это без топологических свойств, но работают только при очень низких температурах - и значит, придется тратить много энергии для поддержания их в холодном состоянии. Топологические материалы имеют потенциал делать ту же работу при более высоких температурах.

Это имеет важное значение для вычислительной техники: большая часть энергии, которую в настоящее время использует компьютер, уходит на работу вентиляторов, которые отводят тепло, вырабатываемое электрическим сопротивлением в схемах. Устраните эту проблему с теплом - и вы теоретически сделаете устройство намного более эффективным. Это может значительно сократить объем выбросов углекислого газа, например. Также могут появиться батареи с гораздо большим сроком работы. Ученые уже экспериментируют с топологическими материалами вроде теллурида кадмия и теллурида ртути, пытаясь воплотить все это в жизнь.

Есть также потенциал для крупного прорыва в области квантовых вычислений. Классические компьютеры кодируют информацию, подавая или не подавая напряжение на чип. Компьютер считывает это как 0 или 1 соответственно на каждый «бит» информации. Вы собираете эти биты вместе и превращаете в более сложную информацию. Так работает двоичная система.

С квантовым компьютером вы поставляете информацию в электроны, а не в микрочипы. Энергетические уровни этих электронов соответствуют нулям и единицам, подобно классическому варианту, но в квантовой механике одновременно могут быть верны оба варианта. Не буду углубляться в теории, но такие компьютеры могут обрабатывать колоссальные объемы данных параллельно и намного быстрее.

Пока Google и IBM исследуют, как манипулировать электронами для создания квантовых компьютеров, которые намного мощнее классических, у них на пути есть одно большое препятствие: эти компьютеры очень уязвимы к окружающему «шуму». Если классические компьютеры справляются с помехами, квантовые компьютеры будут выдавать невыносимое количество ошибок из-за блуждающих электрических полей или молекул воздуха, которые бьются о процессор, даже если держать его в высоком вакууме. Именно поэтому мы пока не используем квантовые компьютеры в повседневной жизни.

Одним из возможных решений может быть хранение информации в нескольких электронах, поскольку шум обычно поражает квантовые процессоры на уровне одиночных частиц. Предположим, что у вас будет пять электронов, одновременно хранящих один и тот же бит информации. До тех пор, пока большинство их будет хранить информацию корректно, нарушение одного электрона не будет подрывать систему.

Ученые экспериментировали с большим числом запасных электронов, но топологическая инженерия может в теории предложить более простое решение. Точно так же, как топологические сверхпроводники смогут переносить поток электроэнергии достаточно хорошо, чтобы ему не мешало сопротивление, топологические квантовые процессоры могут быть достаточно надежными, чтобы игнорировать проблемы с шумом.

Будущее

Пройдет десять-тридцать лет, и ученые, скорее всего, научатся достаточно хорошо манипулировать электронами, чтобы воплотить в жизнь квантовые вычисления. С их помощью мы могли бы симулировать формирование молекул, например, что слишком сложно дается современным компьютерам. Это привело бы к революции в сфере фармацевтики, поскольку мы могли бы предсказывать, что будет происходить с лекарством в теле человека, не проводя практических экспериментов.

Квантовые вычисления могли бы сделать реальностью искусственный интеллект. Квантовые машины могли бы учиться быстрее классических, поскольку подкреплены гораздо более умными алгоритмами. Короче говоря, прогнозы Таулесса, Холдейна и Костерлица могут перевернуть все компьютерные технологии 21 века. И то, что Нобелевский комитет признал важность их работы в 2016 году, скорее всего, заслуживает нашей благодарности и благодарности наших потомков.