В этом году британские ученые Дэвид Таулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц получили  Нобелевскую премию по физике «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества». Упоминание «теоретических открытий» наводит на мысль, что их работа не нашла или не найдет никакого практического применения и не сможет повлиять на нашу жизнь. Нона самом деле все совсем наооборот.
Для того чтобы понять потенциал, необходимо понять теорию.
Многие люди знают, что в центре атома находится  ядро, а вокруг ядра вращаются электроны. Их орбиты соответствуют разным уровням энергии. Когда атомы собираются в вещество, все уровни энергии каждого атома объединяются в зоны электронов. Эти энергетические зоны вмещают в себя определенное число электронов. И между всеми зонами существуют пробелы, в которых электроны течь не могут.

При применении электрического заряда (то есть потока дополнительных электронов) к материалу, его проводимость станет определяться тем, есть ли в самой высокоэнергетической зоне место для лишних электронов. Если оно есть, материал будет вести себя как проводник. Если нет, нужна будет дополнительная энергия для того, чтобы суметь подтолкнуть поток электронов в новую пустую зону. Тогда материал будет диэлектриком. Понимание проводимости очень важно для электроники, так как электронные продукты полностью зависят от компонентов, представляющих собой проводники, диэлектрики и полупроводники.
В 1970-х и 80-х годах Таулесс, Холдейн и Костерлиц, а также другие теоретики стали предполагать, что некоторые материалы это правило нарушают. Вместо того чтобы иметь пробел между зонами, в котором электроны не могут течь, они имеют специальный энергетический уровень между зонами, где случаются неожиданные и странные вещи.
Это свойство существует только на кромке или на поверхности этих материалов. Также оно в некоторой степени зависит от формы материала —  как говорят физики, от топологии. Оно проявляется одинаково для яйца  или сферы, например, но будет совершенно другим с тором из-за дырки в середине. Первые такого рода измерения поведения были сделаны с током, который теку вдоль границы плоского листа.

Вычислительная сила

Свойства, которыми обладают такие топологические материалы могут оказаться очень полезными. Электрические токи способны двигаться без сопротивления по их поверхностям, например, даже в том случае, если устройство немного повреждено. Сверхпроводники уже делают это без топологических свойств, но работают лишь при очень низких температурах — и значит,  надо будет тратить много энергии для того, чтобы поддерживать их в холодном состоянии. Топологические материалы имеют потенциал делать ту же работу при более высоких температурах.

Это очень важно для вычислительной техники: большая часть энергии, которую сейчас использует современный компьютер, тратится на работу вентиляторов, отводящих тепло, которое вырабатывается электрическим сопротивлением в схемах. Если устранить эту проблему с теплом — то можно теоретически сделать устройство намного более эффективным. Таким образом, получится в значительной мере сократить объем выбросов углекислого газа. Кроме того, можно будет создать батареи с намного большим сроком работы. Ученые уже экспериментируют с топологическими материалами  подобным теллуриду кадмия и теллуриду ртути,  стремясь воплотить эти идеи в жизнь.

Также имеется потенциал для большого прорыва в области квантовых вычислений. Традиционные компьютеры кодируют информацию, подавая или не подавая напряжение на чип. Компьютер считывает это как 0 или 1 соответственно на каждый «бит» информации. Вы собираете эти биты вместе и превращаете в более сложную информацию. Так работает двоичная система.

С квантовым компьютером вы поставляете информацию в электроны, а не в микрочипы. Энергетические уровни этих электронов соответствуют нулям и единицам, подобно классическому варианту, но в квантовой механике одновременно оба варианта могут быть верными. Не буду углубляться в теории, но такие компьютеры могут обрабатывать гигантские объемы данных параллельно и намного быстрее.

Пока Google и IBM исследуют, как можно манипулировать электронами, чтобы создать квантовые компьютеры, которые будут намного мощнее классических, у них на пути есть одно огромное препятствие: эти компьютеры сильно уязвимы к окружающему «шуму». Если традиционные компьютеры справляются с помехами, квантовые компьютеры станут выдавать невероятно большое  количество ошибок из-за блуждающих электрических полей или молекул воздуха, бьющихся о процессор, даже если держать его в высоком вакууме. Именно поэтому мы пока не пользуемся квантовыми компьютерами в повседневной жизни.
Одним из вероятных решений может стать хранение информации в нескольких электронах, так как шум обычно поражает квантовые процессоры на уровне одиночных частиц. Предположим, что у вас будет пять электронов, одновременно хранящих один и тот же бит информации. До тех пор, пока большинство их будет хранить информацию корректно, нарушение одного электрона не будет подрывать систему.

Ученые экспериментировали с большим числом запасных электронов, но топологическая инженерия может в теории предложить более простое решение. Точно так же, как топологические сверхпроводники смогут переносить поток электроэнергии достаточно хорошо, чтобы ему не мешало сопротивление, топологические квантовые процессоры могут быть достаточно надежными, чтобы игнорировать проблемы с шумом.

Будущее

Пройдет десять-тридцать лет, и ученые, скорее всего, научатся достаточно хорошо манипулировать электронами, чтобы воплотить в жизнь квантовые вычисления. С их помощью мы могли бы симулировать формирование молекул, например, что слишком сложно дается современным компьютерам. Это привело бы к революции в сфере фармацевтики, поскольку мы могли бы предсказывать, что будет происходить с лекарством в теле человека, не проводя практических экспериментов.

Квантовые вычисления могли бы сделать реальностью искусственный интеллект. Квантовые машины могли бы учиться быстрее классических, поскольку подкреплены гораздо более умными алгоритмами. Короче говоря, прогнозы Таулесса, Холдейна и Костерлица могут перевернуть все компьютерные технологии 21 века. И то, что Нобелевский комитет признал важность их работы в 2016 году, скорее всего, заслуживает нашей благодарности и благодарности наших потомков.