Gli scienziati britannici Michael Kosterlitz, David Thouless e Duncan Haldane hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica "per le scoperte teoriche delle transizioni di fase topologiche e delle fasi topologiche della materia". Le parole "scoperte teoriche" sollevano dubbi sul fatto che il loro lavoro avrà un'applicazione pratica o potrà influenzare le nostre vite in futuro. Ma tutto potrebbe rivelarsi esattamente l'opposto.
Per comprendere il potenziale di questa scoperta, sarà utile acquisire una comprensione della teoria. La maggior parte delle persone sa che c'è un nucleo all'interno di un atomo e che gli elettroni ruotano attorno ad esso. Ciò corrisponde a diversi livelli di energia. Quando gli atomi si raggruppano e creano un qualche tipo di materia, tutti i livelli di energia di ciascun atomo si combinano per creare zone di elettroni. Ogni cosiddetta banda energetica di elettroni ha spazio per un certo numero di elettroni. E tra ogni zona ci sono spazi in cui gli elettroni non possono muoversi.
Se una carica elettrica (un flusso di elettroni aggiuntivi) viene applicata a un materiale, la sua conduttività è determinata dal fatto che la zona degli elettroni con più energia abbia spazio per nuovi elettroni. In tal caso, il materiale si comporterà come un conduttore. In caso contrario, è necessaria energia extra per spingere il flusso di elettroni in una nuova zona vuota. Di conseguenza, questo materiale si comporterà come un isolante. La conduttività è fondamentale per l'elettronica perché componenti come conduttori, semiconduttori e dielettrici sono al centro dei suoi prodotti.
Le previsioni di Kosterlitz, Thouless e Haldane negli anni '70 e '80 sono che alcuni materiali non obbediscono a questa regola. Anche altri teorici supportano il loro punto di vista. Hanno suggerito che invece degli spazi tra le zone degli elettroni, dove non possono esserci, esiste un livello di energia speciale in cui sono possibili cose diverse e molto inaspettate.
Questa proprietà esiste solo sulla superficie e ai bordi di tali materiali ed è estremamente robusta. Dipende anche in una certa misura dalla forma del materiale. In fisica, questa è chiamata topologia. In un materiale a forma di sfera o, ad esempio, un uovo, queste proprietà o caratteristiche sono identiche, ma in una ciambella differiscono a causa di un buco nel mezzo. Le prime misurazioni di tali caratteristiche sono state effettuate dalla corrente lungo il confine della lamiera piana.
Le proprietà di tali materiali topologici possono essere estremamente utili. Ad esempio, una corrente elettrica può scorrere sulla loro superficie senza alcuna resistenza, anche quando il dispositivo è leggermente danneggiato. I superconduttori lo fanno anche senza proprietà topologiche, ma possono funzionare solo a temperature molto basse. Cioè, una grande quantità di energia può essere utilizzata solo in un conduttore raffreddato. I materiali topologici possono fare lo stesso a temperature più elevate.
Ciò ha importanti implicazioni per il lavoro assistito da computer. La maggior parte dell'energia consumata dai computer oggi va alle ventole per ridurre le temperature causate dalla resistenza nei circuiti. Eliminando questo problema di riscaldamento, i computer possono essere resi molto più efficienti dal punto di vista energetico. Ad esempio, questo porterà a una significativa riduzione delle emissioni di carbonio. Inoltre, sarà possibile realizzare batterie con una durata molto più lunga. Gli scienziati hanno già iniziato esperimenti con materiali topologici come tellururo di cadmio e tellururo di mercurio per mettere in pratica la teoria.
Inoltre, sono possibili importanti scoperte nell'informatica quantistica. I computer classici codificano i dati applicando o meno tensione al microcircuito. Di conseguenza, il computer lo interpreta come 0 o 1 per ogni bit di informazione. Mettendo insieme questi bit, creiamo dati più complessi. Ecco come funziona un sistema binario.
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Quando si tratta di informatica quantistica, forniamo informazioni agli elettroni, non ai microcircuiti. I livelli di energia di tali elettroni corrispondono a zero o uno come nei computer classici, ma nella meccanica quantistica questo è possibile simultaneamente. Senza entrare troppo in teoria, diciamo solo che questo dà ai computer la capacità di elaborare grandi quantità di dati in parallelo, rendendoli molto più veloci.
Aziende come Google e IBM stanno facendo ricerche cercando di capire come utilizzare la manipolazione degli elettroni per creare computer quantistici molto più potenti dei computer classici. Ma c'è un grosso ostacolo lungo la strada. Tali computer sono scarsamente protetti dalle "interferenze di rumore" circostanti. Se un computer classico è in grado di far fronte al rumore, un computer quantistico può produrre un'enorme varietà di errori dovuti a frame instabili, campi elettrici casuali o molecole d'aria che entrano nel processore anche se tenuti sotto vuoto. Questo è il motivo principale per cui non usiamo ancora i computer quantistici nella nostra vita quotidiana.
Una possibile soluzione è memorizzare le informazioni non in uno, ma in diversi elettroni, poiché l'interferenza di solito colpisce i processori quantistici a livello delle singole particelle. Supponiamo di avere cinque elettroni che immagazzinano collettivamente lo stesso bit di informazione. Pertanto, se è memorizzato correttamente nella maggior parte degli elettroni, l'interferenza che colpisce un singolo elettrone non rovinerà l'intero sistema.
Gli scienziati stanno sperimentando questo cosiddetto voto a maggioranza, ma l'ingegneria topologica può offrire una soluzione più semplice. Proprio come i superconduttori topologici possono condurre il flusso di elettricità abbastanza bene da non interferire con la resistenza, i computer quantistici topologici possono essere abbastanza robusti e immuni alle interferenze. Questo potrebbe fare molto per trasformare il calcolo quantistico in realtà. Gli scienziati americani stanno lavorando attivamente su questo.
Futuro
Gli scienziati possono impiegare dai 10 ai 30 anni per imparare a manipolare gli elettroni abbastanza bene da rendere possibile il calcolo quantistico. Ma stanno già emergendo opportunità piuttosto interessanti. Ad esempio, tali computer possono simulare la formazione di molecole, che è quantitativamente impegnativa per i computer tradizionali di oggi. Questo ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di farmaci, poiché saremo in grado di prevedere cosa accadrà nel corpo durante i processi chimici.
Ecco un altro esempio. Un computer quantistico può trasformare l'intelligenza artificiale in realtà. Le macchine quantistiche sono più brave nell'apprendimento dei computer classici. Ciò è in parte dovuto al fatto che possono essere inseriti algoritmi molto più intelligenti. La soluzione al mistero dell'intelligenza artificiale diventerà un cambiamento qualitativo nell'esistenza dell'umanità - tuttavia, non è noto, nel bene e nel male.
In breve, le previsioni di Kosterlitz, Thouless e Haldane potrebbero rivoluzionare la tecnologia informatica nel 21 ° secolo. Se il comitato per il Nobel ha riconosciuto l'importanza del loro lavoro oggi, allora li ringrazieremo sicuramente per molti anni a venire.
