Открытия нобелевских лауреатов по физике как революция в компьютерной науке 21-го векаПопулярная наука
Майкл Хартманн (Michael Hartmann)
Британские ученые Майкл Костерлиц (Michael Kosterlitz), Дэвид Таулесс (David Thouless) и Данкан Холдейн (Duncan Haldane) получили Нобелевскую премию по физике «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Слова «теоретические открытия» вызывают сомнения в том, что их работа будет иметь какое-то практическое применение или сможет в будущем повлиять на нашу жизнь. Но все может оказаться как раз наоборот.
Чтобы понять потенциал этого открытия, полезно будет получить представление о теории. Большинству людей известно, что внутри атома есть ядро, и что вокруг него вращаются электроны. Это соответствует различным уровням энергии. Когда атомы группируются и создают какую-то материю, все энергетические уровни каждого атома в сочетании создают зоны электронов. Каждая так называемая энергетическая зона электронов имеет пространство для определенного количества электронов. И между каждой зоной имеются промежутки, в которых электроны не могут перемещаться.
Если на материал подать электрический заряд (поток дополнительных электронов), его проводимость определяется тем, есть ли у зоны электронов с наибольшим количеством энергии пространство для новых электронов. Если есть, материал поведет себя как проводник. Если нет, нужна дополнительная энергия, чтобы подтолкнуть поток электронов в новую пустую зону. В результате этот материал поведет себя как изолятор. Представления о проводимости исключительно важны для электроники, поскольку основу ее продукции составляют такие компоненты как проводники, полупроводники и диэлектрики.
Предсказания Костерлица, Таулесса и Холдейна, зазвучавшие в 1970-е и 1980-е годы, заключаются в том, что некоторые материалы не подчиняются данному правилу. Их точку зрения поддерживают и некоторые другие теоретики. Они предположили, что вместо промежутков между зонами электронов, где они не могут находиться, существует особый энергетический уровень, в котором возможны разные и весьма неожиданные вещи.
Это свойство существует только на поверхности и на краях таких материалов, и оно чрезвычайно устойчиво. В определенной степени оно также зависит от формы материала. В физике это называют топологией. В материале, имеющем форму сферы или, например, яйца, эти свойства или характеристики идентичны, а вот у бублика они отличаются из-за дырки посередине. Первые измерения таких характеристик делались по силе тока вдоль границы плоского листа.
Свойства таких топологических материалов могут оказаться чрезвычайно полезными. Например, по их поверхности может безо всякого сопротивления течь электрический ток, причем даже тогда, когда устройство немного повреждено. Сверхпроводники делают это даже без топологических свойств, но они могут работать только при очень низкой температуре. То есть, большое количество энергии можно использовать только в охлажденном проводнике. Топологические материалы могут делать то же самое при более высоких температурах.
Это имеет важные последствия для работ с применением компьютера. Большая часть энергии, потребляемая сегодня компьютерами, идет на вентиляторы для снижения температуры, вызванной сопротивлением в цепях. Если устранить эту проблему с нагреванием, то компьютеры можно сделать намного более энергоэффективными. Например, это приведет к существенному уменьшению углеродных выбросов. Кроме того, можно будет делать батареи с гораздо большим сроком службы. Ученые уже приступили к экспериментам с такими топологическими материалами как теллурид кадмия и теллурид ртути, чтобы теорию претворить на практике.
Кроме того, возможны серьезные прорывы в области квантовых вычислений. Классические компьютеры кодируют данные, либо воздействуя на микросхему напряжением, либо не воздействуя на нее. Соответственно, компьютер воспринимает это как 0 или 1 для каждого бита информации. Складывая эти биты воедино, мы создаем более сложные данные. Именно так работает бинарная система.
Что касается квантовых вычислений, то мы доставляем информацию на электроны, а не на микросхемы. Энергетические уровни таких электронов соответствуют нулям или единицам как в классических компьютерах, однако в квантовой механике такое возможно одновременно. Не вдаваясь особо в теорию, скажем лишь, что это дает компьютерам возможность параллельно обрабатывать очень большие объемы данных, благодаря чему они становятся намного быстрее.
Такие компании как Google и IBM проводят исследования, пытаясь понять, как при помощи манипуляций с электронами создать квантовые компьютеры, которые будут намного мощнее классических. Но на этом пути есть одно серьезное препятствие. Такие компьютеры слабо защищены от окружающих «шумовых помех». Если классический компьютер в состоянии справиться с помехами, то квантовый может произвести на свет огромное множество ошибок по причине неустойчивых фреймов, случайных электрических полей или молекул воздуха, которые попадают в процессор, даже если держать его в вакууме. Это главная причина, почему мы пока не пользуемся квантовыми компьютерами в повседневной жизни.
Одно из возможных решений — хранить информацию не в одном, а в нескольких электронах, поскольку помехи обычно влияют на квантовые процессоры на уровне отдельных частиц. Предположим, у нас есть пять электронов, в которых совместно хранится один и тот же бит информации. Поэтому, если в большинстве электронов он хранится правильно, то влияющие на отдельный электрон помехи не испортят всю систему.
Ученые экспериментируют с этим так называемым мажоритарным голосованием, однако топологическая инженерия может предложить более легкое решение. Как топологические сверхпроводники могут достаточно хорошо проводить поток электричества, чтобы ему не мешало сопротивление, так и топологические квантовые компьютеры могут оказаться достаточно надежными и нечувствительными к помехам. Это способно во многом помочь превратить квантовые компьютерные вычисления в реальность. Над этим активно работают американские ученые.
Будущее
Может пройти от 10 до 30 лет, прежде чем ученые научатся достаточно хорошо манипулировать электронами, чтобы квантовые компьютерные вычисления стали возможны. Но уже сейчас появляются весьма интересные возможности. Например, такие компьютеры могут моделировать формирование молекул, что для нынешних традиционных компьютеров является количественно сложной задачей. Это способно произвести революцию в производстве лекарств, поскольку мы получим возможность предсказывать, что будет происходить в организме во время химических процессов.
Вот еще один пример. Квантовый компьютер может превратить в реальность искусственный разум. Квантовые машины лучше проходят процесс обучения, чем классические компьютеры. Отчасти это объясняется тем, что в них можно заложить намного более умные алгоритмы. Разгадка тайны искусственного интеллекта станет качественным изменением в существовании человечества — правда, неизвестно, к добру или к худу.
Короче говоря, прогнозы Костерлица, Таулесса и Холдейна могут произвести революцию в компьютерных технологиях 21-го века. Если нобелевский комитет признал важность их работы сегодня, то мы наверняка будем благодарить их еще долгие годы в будущем.
Источник:
