De Britse wetenschappers Michael Kosterlitz, David Thouless en Duncan Haldane ontvingen de Nobelprijs voor de natuurkunde "voor de theoretische ontdekkingen van topologische faseovergangen en topologische fasen van materie". De woorden "theoretische ontdekkingen" doen twijfels rijzen of hun werk enige praktische toepassing zal hebben of ons leven in de toekomst kan beïnvloeden. Maar alles kan precies het tegenovergestelde blijken te zijn.
Om het potentieel van deze ontdekking te begrijpen, zal het nuttig zijn om de theorie te begrijpen. De meeste mensen weten dat er een kern in een atoom zit en dat elektronen eromheen draaien. Dit komt overeen met verschillende energieniveaus. Wanneer atomen zich groeperen en een soort materie creëren, combineren alle energieniveaus van elk atoom om zones van elektronen te creëren. Elke zogenaamde energieband van elektronen heeft ruimte voor een bepaald aantal elektronen. En tussen elke zone zijn er gaten waarin elektronen niet kunnen bewegen.
Als er een elektrische lading (een stroom van extra elektronen) op een materiaal wordt aangebracht, wordt de geleidbaarheid ervan bepaald door of de zone van elektronen met de meeste energie ruimte heeft voor nieuwe elektronen. Dan gedraagt het materiaal zich als een geleider. Zo niet, dan is er extra energie nodig om de elektronenstroom naar een nieuwe lege zone te duwen. Hierdoor gedraagt dit materiaal zich als een isolator. Geleidbaarheid is van cruciaal belang voor elektronica omdat componenten zoals geleiders, halfgeleiders en diëlektrica de kern vormen van zijn producten.
De voorspellingen van Kosterlitz, Thouless en Haldane in de jaren zeventig en tachtig zijn dat sommige materialen niet aan deze regel voldoen. Enkele andere theoretici ondersteunen ook hun standpunt. Ze suggereerden dat in plaats van de openingen tussen de zones van elektronen, waar ze niet kunnen zijn, er een speciaal energieniveau is waarin verschillende en zeer onverwachte dingen mogelijk zijn.
Deze eigenschap bestaat alleen aan de oppervlakte en aan de randen van dergelijke materialen en is uiterst robuust. Het hangt tot op zekere hoogte ook af van de vorm van het materiaal. In de natuurkunde wordt dit topologie genoemd. Bij een materiaal in de vorm van een bol of bijvoorbeeld een ei zijn deze eigenschappen of kenmerken identiek, maar bij een donut verschillen ze door een gaatje in het midden. De eerste metingen van dergelijke kenmerken werden gedaan door de stroom langs de rand van de vlakke plaat.
De eigenschappen van dergelijke topologische materialen kunnen buitengewoon nuttig zijn. Zo kan er zonder enige weerstand een elektrische stroom over hun oppervlak stromen, zelfs als het apparaat licht beschadigd is. Supergeleiders doen dit zelfs zonder topologische eigenschappen, maar ze kunnen alleen werken bij zeer lage temperaturen. Dat wil zeggen, een grote hoeveelheid energie kan alleen worden gebruikt in een gekoelde geleider. Topologische materialen kunnen hetzelfde doen bij hogere temperaturen.
Dit heeft belangrijke gevolgen voor computerondersteund werken. De meeste energie die tegenwoordig door computers wordt verbruikt, gaat naar ventilatoren om de temperatuur te verlagen die wordt veroorzaakt door weerstand in de circuits. Door dit verhittingsprobleem te elimineren, kunnen computers veel energiezuiniger worden gemaakt. Dit leidt bijvoorbeeld tot een aanzienlijke vermindering van de CO2-uitstoot. Bovendien is het mogelijk om batterijen te maken met een veel langere levensduur. Wetenschappers zijn al begonnen met experimenten met topologische materialen zoals cadmiumtelluride en kwiktelluride om de theorie in praktijk te brengen.
Bovendien zijn er grote doorbraken in quantum computing mogelijk. Klassieke computers coderen gegevens door al dan niet spanning op de microschakeling aan te brengen. Dienovereenkomstig interpreteert de computer dit als 0 of 1 voor elk bit aan informatie. Door deze bits samen te voegen, creëren we complexere gegevens. Dit is hoe een binair systeem werkt.
Promotie video:
Als het gaat om quantum computing, leveren we informatie aan elektronen, niet aan microschakelingen. De energieniveaus van dergelijke elektronen komen overeen met nullen of enen zoals in klassieke computers, maar in de kwantummechanica is dit tegelijkertijd mogelijk. Laten we, zonder al te veel op theorie in te gaan, zeggen dat dit computers de mogelijkheid geeft om zeer grote hoeveelheden gegevens parallel te verwerken, waardoor ze veel sneller worden.
Bedrijven als Google en IBM doen onderzoek om erachter te komen hoe ze de manipulatie van elektronen kunnen gebruiken om kwantumcomputers te maken die veel krachtiger zijn dan klassieke computers. Maar er is onderweg één groot obstakel. Dergelijke computers zijn slecht beschermd tegen omgevingsruis. Als een klassieke computer in staat is om met de ruis om te gaan, kan een kwantumcomputer een enorme verscheidenheid aan fouten produceren als gevolg van onstabiele frames, willekeurige elektrische velden of luchtmoleculen die de processor binnenkomen, zelfs als ze in een vacuüm worden gehouden. Dit is de belangrijkste reden waarom we in ons dagelijks leven nog geen kwantumcomputers gebruiken.
Een mogelijke oplossing is om informatie niet in één, maar in meerdere elektronen op te slaan, aangezien interferentie meestal kwantumprocessors treft op het niveau van individuele deeltjes. Stel dat we vijf elektronen hebben die samen hetzelfde stukje informatie opslaan. Daarom, als het correct wordt opgeslagen in de meeste elektronen, zal interferentie die een enkel elektron beïnvloedt niet het hele systeem bederven.
Wetenschappers experimenteren met deze zogenaamde meerderheid van stemmen, maar topologische engineering biedt wellicht een eenvoudigere oplossing. Net zoals topologische supergeleiders de stroom van elektriciteit goed genoeg kunnen geleiden zodat weerstand er niet mee interfereert, kunnen topologische kwantumcomputers robuust genoeg zijn en immuun voor interferentie. Dit zou een lange weg kunnen gaan naar het realiseren van kwantumcomputers. Daar werken Amerikaanse wetenschappers actief aan.
Toekomst
Het kan 10 tot 30 jaar duren voordat wetenschappers leren hoe ze elektronen goed genoeg kunnen manipuleren om quantum computing mogelijk te maken. Maar er duiken al behoorlijk interessante kansen op. Dergelijke computers kunnen bijvoorbeeld de vorming van moleculen simuleren, wat een kwantitatieve uitdaging is voor de traditionele computers van vandaag. Dit heeft de potentie om de productie van medicijnen radicaal te veranderen, omdat we kunnen voorspellen wat er in het lichaam zal gebeuren tijdens chemische processen.
Hier is nog een voorbeeld. Een kwantumcomputer kan kunstmatige intelligentie werkelijkheid maken. Kwantummachines kunnen beter leren dan klassieke computers. Dit komt mede doordat er veel slimmere algoritmes in gelegd kunnen worden. De oplossing voor het mysterie van kunstmatige intelligentie zal een kwalitatieve verandering in het bestaan van de mensheid worden - het is echter niet bekend, ten goede of ten kwade.
Kortom, de voorspellingen van Kosterlitz, Thouless en Haldane zouden een revolutie teweeg kunnen brengen in de computertechnologie in de 21e eeuw. Als het Nobelcomité het belang van hun werk vandaag heeft erkend, dan zullen we hen zeker nog vele jaren bedanken.
