Die britischen Wissenschaftler Michael Kosterlitz, David Thouless und Duncan Haldane erhielten den Nobelpreis für Physik "für die theoretischen Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen der Materie". Die Worte "theoretische Entdeckungen" lassen Zweifel aufkommen, dass ihre Arbeit eine praktische Anwendung finden oder unser Leben in Zukunft beeinflussen kann. Aber alles kann sich als genau das Gegenteil herausstellen.
Um das Potenzial dieser Entdeckung zu verstehen, ist es hilfreich, ein Verständnis der Theorie zu erlangen. Die meisten Menschen wissen, dass sich in einem Atom ein Kern befindet und dass sich Elektronen um ihn drehen. Dies entspricht unterschiedlichen Energieniveaus. Wenn sich Atome zusammenschließen und eine Art Materie erzeugen, verbinden sich alle Energieniveaus jedes Atoms zu Elektronenzonen. Jedes sogenannte Energieband von Elektronen bietet Platz für eine bestimmte Anzahl von Elektronen. Und zwischen jeder Zone gibt es Lücken, in denen sich Elektronen nicht bewegen können.
Wenn eine elektrische Ladung (ein Strom zusätzlicher Elektronen) an ein Material angelegt wird, wird seine Leitfähigkeit dadurch bestimmt, ob die Zone der Elektronen mit der größten Energie Platz für neue Elektronen hat. In diesem Fall verhält sich das Material wie ein Leiter. Wenn nicht, wird zusätzliche Energie benötigt, um den Elektronenfluss in eine neue leere Zone zu drücken. Infolgedessen verhält sich dieses Material wie ein Isolator. Die Leitfähigkeit ist für die Elektronik von entscheidender Bedeutung, da Komponenten wie Leiter, Halbleiter und Dielektrika den Kern ihrer Produkte bilden.
Die Vorhersagen von Kosterlitz, Thouless und Haldane in den 1970er und 1980er Jahren besagen, dass einige Materialien dieser Regel nicht entsprechen. Einige andere Theoretiker unterstützen ebenfalls ihren Standpunkt. Sie schlugen vor, dass anstelle der Lücken zwischen den Zonen der Elektronen, in denen sie nicht sein können, ein spezielles Energieniveau vorhanden ist, in dem verschiedene und sehr unerwartete Dinge möglich sind.
Diese Eigenschaft existiert nur an der Oberfläche und an den Kanten solcher Materialien und ist äußerst robust. Bis zu einem gewissen Grad hängt es auch von der Form des Materials ab. In der Physik wird dies Topologie genannt. In einem Material in Form einer Kugel oder beispielsweise eines Eies sind diese Eigenschaften oder Merkmale identisch, in einem Donut unterscheiden sie sich jedoch aufgrund eines Lochs in der Mitte. Die ersten Messungen solcher Eigenschaften wurden durch den Strom entlang der Grenze des flachen Blechs durchgeführt.
Die Eigenschaften solcher topologischer Materialien können äußerst nützlich sein. Beispielsweise kann ein elektrischer Strom ohne Widerstand auf ihrer Oberfläche fließen, selbst wenn das Gerät leicht beschädigt ist. Supraleiter tun dies auch ohne topologische Eigenschaften, können jedoch nur bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten. Das heißt, eine große Energiemenge kann nur in einem gekühlten Leiter verwendet werden. Topologische Materialien können dasselbe bei höheren Temperaturen tun.
Dies hat wichtige Auswirkungen auf die computergestützte Arbeit. Der größte Teil der Energie, die Computer heutzutage verbrauchen, geht an Lüfter, um die durch den Widerstand in den Schaltkreisen verursachten Temperaturen zu senken. Durch die Beseitigung dieses Heizproblems können Computer viel energieeffizienter gemacht werden. Dies führt beispielsweise zu einer deutlichen Reduzierung der CO2-Emissionen. Darüber hinaus können Batterien mit einer viel längeren Lebensdauer hergestellt werden. Wissenschaftler haben bereits Experimente mit topologischen Materialien wie Cadmiumtellurid und Quecksilbertellurid begonnen, um die Theorie in die Praxis umzusetzen.
Darüber hinaus sind große Durchbrüche im Quantencomputer möglich. Klassische Computer codieren Daten entweder durch Anlegen einer Spannung an die Mikroschaltung oder nicht. Dementsprechend interpretiert der Computer dies für jedes Informationsbit als 0 oder 1. Durch Zusammenfügen dieser Bits erstellen wir komplexere Daten. So funktioniert ein Binärsystem.
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Wenn es um Quantencomputer geht, liefern wir Informationen an Elektronen und nicht an Mikroschaltungen. Die Energieniveaus solcher Elektronen entsprechen Nullen oder Einsen wie bei klassischen Computern, aber in der Quantenmechanik ist dies gleichzeitig möglich. Nehmen wir einfach an, dass Computer auf diese Weise sehr große Datenmengen parallel verarbeiten können, ohne auf zu viel Theorie einzugehen, wodurch sie viel schneller werden.
Unternehmen wie Google und IBM forschen, um herauszufinden, wie mithilfe der Manipulation von Elektronen Quantencomputer hergestellt werden können, die viel leistungsfähiger sind als klassische Computer. Aber es gibt ein großes Hindernis auf dem Weg. Solche Computer sind schlecht vor Umgebungsgeräuschen geschützt. Wenn ein klassischer Computer in der Lage ist, mit dem Rauschen umzugehen, kann ein Quantencomputer aufgrund instabiler Rahmen, zufälliger elektrischer Felder oder Luftmoleküle, die in den Prozessor gelangen, selbst im Vakuum eine Vielzahl von Fehlern erzeugen. Dies ist der Hauptgrund, warum wir in unserem täglichen Leben noch keine Quantencomputer verwenden.
Eine mögliche Lösung besteht darin, Informationen nicht in einem, sondern in mehreren Elektronen zu speichern, da Interferenzen normalerweise Quantenprozessoren auf der Ebene einzelner Teilchen betreffen. Angenommen, wir haben fünf Elektronen, die zusammen dieselbe Information speichern. Wenn es in den meisten Elektronen korrekt gespeichert ist, wird eine Interferenz, die ein einzelnes Elektron beeinflusst, nicht das gesamte System beeinträchtigen.
Wissenschaftler experimentieren mit dieser sogenannten Mehrheitsentscheidung, aber die topologische Technik könnte eine einfachere Lösung bieten. So wie topologische Supraleiter den Stromfluss gut genug leiten können, dass der Widerstand ihn nicht stört, können topologische Quantencomputer robust genug und immun gegen Störungen sein. Dies könnte einen großen Beitrag zur Verwirklichung des Quantencomputers leisten. Amerikanische Wissenschaftler arbeiten aktiv daran.
Zukunft
Es kann 10 bis 30 Jahre dauern, bis Wissenschaftler lernen, wie man Elektronen gut genug manipuliert, damit Quantencomputer möglich werden. Es ergeben sich jedoch bereits interessante Möglichkeiten. Beispielsweise können solche Computer die Bildung von Molekülen simulieren, was für herkömmliche Computer von heute eine quantitative Herausforderung darstellt. Dies hat das Potenzial, die Produktion von Arzneimitteln zu revolutionieren, da wir vorhersagen können, was während chemischer Prozesse im Körper passieren wird.
Hier ist ein weiteres Beispiel. Ein Quantencomputer kann künstliche Intelligenz in die Realität umsetzen. Quantenmaschinen können besser lernen als klassische Computer. Dies ist teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, dass viel intelligentere Algorithmen in sie gelegt werden können. Die Lösung des Geheimnisses der künstlichen Intelligenz wird eine qualitative Veränderung in der Existenz der Menschheit sein - es ist jedoch nicht bekannt, ob es gut oder schlecht ist.
Kurz gesagt, die Vorhersagen von Kosterlitz, Thouless und Haldane könnten die Computertechnologie im 21. Jahrhundert revolutionieren. Wenn das Nobelkomitee die Bedeutung ihrer heutigen Arbeit erkannt hat, werden wir ihnen sicherlich für viele Jahre danken.
