Что если бы электричество могло двигаться вечно, не теряя силы? А представьте компьютер, работающий с невероятной скоростью и безошибочной точностью. Каковы возможности такой технологии? Благодаря трём учёным, отмеченным Нобелевской премией по физике в 2016 году — Дэвиду Таулессу, Дункану Холдейну и Майклу Костерлицу — мы можем приблизиться к ответу.
Их исследование показало, что мельчайшие частицы вещества могут обладать свойствами, характерными для макрообъектов, и эти свойства связаны с топологией.
Но что такое топология? Это раздел математики, изучающий основные свойства форм. Топологические свойства остаются неизменными даже при деформации объекта. Так, пончик и чашка для кофе одинаковы с точки зрения тополога, так как у каждого из них есть одно отверстие. Если бы вы преобразовали пончик в чашку, отверстие осталось бы только одно.
Это топологическое свойство неизменно. В отличие от пончика, у кренделька три отверстия. Плавно превратить пончик в крендель невозможно, нужно будет сделать два новых отверстия.
Долгое время оставался вопрос: можно ли с помощью топологии понять мир субатомных частиц? Ведь такие частицы, как электроны и фотоны, действуют по сложным законам квантовой физики, которые кажутся странными и загадочными в нашем повседневном мире. Однако учёные, отмеченные Нобелевской премией, показали: топологические особенности действительно существуют в квантовом мире.
Это открытие может кардинально изменить наш подход к созданию материалов, электроники и программного обеспечения. Такие свойства дают уникальную стабильность и свойства некоторым чудесам квантового мира.
Один из интересных примеров — это топологический изолятор. Попробуйте представить себе слой электронов. Под воздействием сильного магнитного поля каждый из электронов начинает движение по кругу, образуя то, что мы называем замкнутой орбитой. Из-за того что электроны "заперты" в этих круговых траекториях, они не могут проводить ток. Однако на границах этого материала орбиты превращаются в открытые и соединяются между собой, при этом все указывают в одну сторону.
Таким образом, электроны могут переходить с одной орбиты на другую, двигаясь вдоль края. Это значит, что материал проводит электричество по периферии, но не внутри.
Здесь и вступает в игру топология. Эта способность к проводимости не подвержена изменениям из-за мелких отклонений в материале, например, из-за примесей или микродефектов. Это аналогично тому, как отверстие в чашке для кофе остается неизменным, даже если ее деформировать.
Поверхность такого топологического изолятора обеспечивает безупречную передачу электронов: ни один электрон не возвращается назад, энергия не рассеивается в виде тепла, и можно даже регулировать число проводящих каналов. Приборы будущего могут быть разработаны для использования этой высокоэффективной "электронной дорожки".
Топологические характеристики субатомных частиц также могут изменить квантовые вычисления. Квантовые компьютеры используют свойство, по которому субатомные частицы могут находиться в различных состояниях одновременно, сохраняя информацию в так называемых кубитах. Эти кубиты способны обрабатывать задачи намного быстрее, чем классические цифровые машины.
Однако сложность заключается в том, что эту информацию легко разрушить, воздействуя на нее из внешней среды. Но в определенных топологических состояниях, субатомные частицы оказываются устойчивыми. Другими словами, кубиты, созданные на их основе, устойчивы к небольшим или локальным изменениям.
Эти топологические кубиты будут более надежными, что повысит точность вычислений и улучшит качество квантовых компьютеров. Топология первоначально рассматривалась как область абстрактной математики. Но благодаря исследованиям мы теперь понимаем, что она может помочь разгадать тайны природы и открыть путь к новым технологическим инновациям.
Подписывайтесь на наш канал, ставьте лайки и делитесь информацией с друзьями! Ваши комментарии и обратная связь очень важны для нас. Не пропустите наши следующие публикации! Спасибо за внимание!
