Образовательный сайт

Исслeдoвaтeли в Вeликoбритaнии, Дэвид Тaулeсa, Дункaн Xoлдeйн и Мaйкл Кoстeрлицa пoлучил в этoм гoду Нoбeлeвскую прeмию пo физикe «зa тeoрeтичeскoe oткрытиe тoпoлoгичeскиx фaзoвыx пeрexoдoв и тoпoлoгичeскиe фaзы мaтeрии». Ссылкa нa «тeoрeтичeскиe прeдпoсылки к тoму, чтo иx рaбoту нe мoгу нaйти, или нe нaйти прaктичeскoгo примeнeния и никaк нe пoвлияeт нa нaшу жизнь. Нo тут oбрaтный случaй.

Для тoгo, чтoбы пoнять пoтeнциaл, нeoбxoдимo рaзoбрaться в тeoрии. Бoльшинствo людeй знaeт, чтo в цeнтрe aтoмa, его ядра, а вокруг него вращаются электроны. Их орбиты соответствуют различные уровни энергии. Когда атомы, которые собираются по существу, все уровни энергии каждого атома соединяются в зоне электроны. Эти энергетические полосы может вместить определенное количество электронов. И между всем направлениям, есть пробелы, где электроны не могут течь.

Если вы используете электрический заряд (поток лишних электронов) в материале, его проводимость будет определяться, является ли наиболее высоких энергий место для дополнительных электронов. Если это место, материал будет вести себя как проводник. Если не требуют дополнительной энергии, чтобы подтолкнуть поток электронов в новом, пустом месте. Тогда материал будет изолятор. Проводимость понимание важно для электроники, потому что электронные продукты являются полностью зависит от компонентов, которая представляет собой проводников, полупроводников и диэлектриков.

В 1970-х и 80-х годов Таулеса, Холдейн и Костерлица и другие теоретики начали подозревать, что некоторые из материалов нарушает это правило. Вместо того, чтобы иметь зазор между зонами, где электроны не могут течь, они обладают особым уровнем энергии между зонами, где происходят странные и неожиданные вещи.

Эта функция доступна только на поверхности или краю таких материалов. Это тоже в определенной степени зависит от формы материала, топологии, как говорят физики. Это то же самое для сферы или яйца, например, но будет по-другому с Тором из-за дырки в середине. Первая мера такого поведения было сделано с потоком, который проходит вдоль края плоского листа.

Вычислительные мощности

Свойства этих топологических материалов, которые могут быть очень полезными. Электрический ток может двигаться без сопротивления на их поверхности, например, даже если устройство немного повреждена. Сверхпроводники уже делают это, без каких-либо топологических свойств, но работают только при очень низких температурах, и поэтому приходится использовать много энергии, чтобы поддерживать их в холодном состоянии. Топологические материалы, которые имеют потенциал, чтобы сделать ту же работу при более высоких температурах.

Это важно для вычислительной машины: большая часть энергии, которая в настоящее время использует компьютер, идет к болельщикам, которые рассеивают тепло, электрическое сопротивление в цепи. Устранить эту проблему с жарой, и вы теоретически сделать устройство гораздо более эффективно. Это может привести к снижению выбросов углекислого газа, например. Вы также можете получить батареи с гораздо большей жизни. Исследователи уже экспериментировали с топологическими таких материалов, как теллурид кадмия и теллурида ртути, которая пытается воплотить все это в жизнь.

Существует также потенциал для большой прорыв в квантовых вычислениях. Классические компьютеры кодировать информацию, подавать или не подавать напряжение на чип. Компьютер читает его как или 1, соответственно, за каждый «бит» информации. Вы собираете эти кусочки вместе и превращаются в более сложную информацию. Как это работает в двоичной системе.

С квантовым компьютером можно поместить информацию в электроны, а не в микросхемах. Энергетические уровни этих электронов соответствуют нулей и единиц, таких как классический вариант, а в квантовой механике не может одновременно быть лояльным к обоим. Я не буду вдаваться в теорию, но эти компьютеры могут обрабатывать большие объемы данных в параллельные, и гораздо быстрее.

В то время как Google и IBM изучает, как управлять электроны, чтобы создать квантовый компьютер, который является гораздо более мощным, чем классический, в их сторону, что является большой преградой, и эти компьютеры очень уязвимы для окружающего «шума». Если классические компьютеры явное вмешательство, квантовые компьютеры, которые будут генерировать недопустимое количество ошибок из-за блуждающих электрических полей или молекулы воздуха бьются о процессоре, даже если вы держите его в высоком вакууме. Именно поэтому мы не используем квантовые компьютеры в повседневной жизни.

Возможным решением может быть, чтобы хранить информацию в несколько электронов, поскольку шум, который обычно влияет на квантовые процессоры на уровне отдельных частиц. Предположим, у вас есть пять электронов, в то время как для хранения одного бита информации. Пока большинство из них будет правильно сохранить информацию, нарушение электрона не будет подрывать систему.

Исследователи экспериментировали с различными дополнительными электронов, однако топологические методы в теории можете предложить более простое решение. Аналогичным образом, топологические сверхпроводники имеют возможность передавать поток электричества достаточно хорошо, чтобы ему не мешали с сопротивлением, топологические квантовые процессоры могут быть достаточно сильны, чтобы игнорировать проблемы шума.

Будущее

После десяти до тридцати лет, и исследователи, вероятно, учатся достаточно хорошо, чтобы манипулировать электрон для реализации квантовых вычислений. С их помощью мы можем имитировать формирование молекулы, например, это слишком сложно из-за современных компьютеров. Это приведет к революции в сфере обращения лекарственных средств, потому что мы могли бы предсказать, что произойдет с препаратом в организме без проведения практических экспериментов.

Квантовые вычисления могут воплотить в реальность искусственного интеллекта. Квантовые машины сможет научиться быстрее классической, которая опирается на гораздо более интеллектуальные алгоритмы. Короче, прогнозы Tulessa, Холдейн и Костерлица можете бить всех компьютерных технологий в 21. века. Тот факт, что Нобелевский Комитет признал важность их работы в 2016 году, скорее всего, заслуживают нашей признательности и благодарности нашим потомкам.

Идеи нобелевских лауреатов в области физики могут изменить мир с технологией
Илья Весь