What in the world is topological quantum matter? - Fan Zhang

المترجم: Nada Qanbar المدقّق: Hani Eldalees

What if electricity could travel forever without being diminished?

ماذا لو تنقلت الكهرباء إلى الأبد دون أن تضعف؟

What if a computer could run exponentially faster with perfect accuracy?

ماذا لو كان يمكن تشغيل الكمبيوتر أضعافا مضاعفة بسرعة متناهية؟

What technology could those abilities build?

ما هي التقنية التي تستطيع بناء تلك القدرات؟

We may be able to find out thanks to the work of the three scientists

قد نكون قادرين على معرفة ذلك بفضل عمل العلماء الثلاثة

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

الذين فازوا بجائزة نوبل في الفيزياء في عام 2016.

David Thouless,

Duncan Haldane,

(ديفيد ثوليس)،

(دنكان هالدين)،

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

(مايكل كوستيرليتز) الذين فازوا بالجائزة لاكتشاف

that even microscopic matter at the smallest scale

أن المادة المجهرية حتى على أصغر نطاق لها

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

يمكن أن تظهر خصائص ماكروسكوبية ومراحل طوبولوجية.

But what does that mean?

لكن ماذا يعني هذا؟

أولًا، علم الطوبولوجيا هو فرع من الرياضيات

First of all, topology is a branch of mathematics

that focuses on fundamental properties of objects.

يركز على الخصائص الأساسية للأشياء.

Topological properties don't change when an object is gradually stretched or bent.

الخصائص الطوبولوجية لا تتغير عندما يتمدد الشيء تدريجيًا أو ينثني.

The object has to be torn or attached in new places.

يجب أن يكون الشيء ممزقًا أو مرفقًا بأماكن جديدة.

A donut and a coffee cup look the same to a topologist

تبدو الفطيرة المحلاة وكوب القهوة سيان بالنسبة لعالم طوبولوجي

because they both have one hole.

لأن كلاهما له ثقب واحد.

You could reshape a donut into a coffee cup

هل يمكن إعادة تشكيل فطيرة محلاة في فنجان قهوة

and it would still have just one.

وسيبقى معها ثقب واحد فقط.

That topological property is stable.

هذه الخاصية الطوبولوجية لا تتغير.

On the other hand, a pretzel has three holes.

من ناحية أخرى، الكعك المملح له ثلاثة ثقوب.

There are no smooth incremental changes that will turn a donut into a pretzel.

لا توجد تغييرات تدريجية على نحو سلس تحول الفطيرة المحلاة إلى بسكويت مملح.

You'd have to tear two new holes.

سيكون عليك أن تقسمها إلى ثقبين.

For a long time, it wasn't clear whether topology was useful

لفترة طويلة، لم يكن واضحًا هل علم الطبولوجيا مفيد

for describing the behaviors of subatomic particles.

لوصف سلوك الجسيمات دون الذرية.

That's because particles, like electrons and photons,

وذلك لأن الجسيمات، مثل الإلكترونات والفوتونات،

are subject to the strange laws of quantum physics,

تخضع للقوانين الغريبة من الفيزياء الكمومية،

which involve a great deal of uncertainty

التي تنطوي على قدر كبير من عدم اليقين

that we don't see at the scale of coffee cups.

التي لا نراها على مستوى فناجين القهوة.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

لكن الحائزين على جائزة نوبل اكتشفوا أن الخصائص الطوبولوجية

do exist at the quantum level.

موجودة على المستوى الكمي.

And that discovery may revolutionize materials science,

وهذا الاكتشاف قد يحدث ثورة علم المواد،

electronic engineering,

الهندسة الإلكترونية،

and computer science.

وعلم الحاسوب.

That's because these properties lend surprising stability

وذلك لأن هذه الخصائص تعطي استقرار مدهش

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

وخصائص ملحوظة إلى بعض المراحل الغريبة من المادة

in the delicate quantum world.

في العالم الكمي الدقيق.

One example is called a topological insulator.

مثال واحد يسمى عازل طوبولوجي.

Imagine a film of electrons.

تخيل غشاء من الإلكترونات.

If a strong enough magnetic field passes through them,

إذا كان المجال المغناطيسي قوي بما فيه الكفاية ليمر من خلاله،

each electron will start traveling in a circle,

سيبدأ كل إلكترون الحركة في دائرة،

which is called a closed orbit.

يٌسمى بالمدار المغلق.

Because the electrons are stuck in these loops,

لأن الإلكترونات عالقة في هذه الحلقات،

they're not conducting electricity.

إنهم لا يقومون بتوصيل الكهرباء.

But at the edge of the material,

ولكن على حافة المواد،

the orbits become open, connected, and they all point in the same direction.

تصبح المدارات مفتوحة، ومتصلة، وكلها تشير في نفس الاتجاه.

So electrons can jump from one orbit to the next

لذا فالإلكترونات يمكنها القفز من مدار إلى آخر

and travel all the way around the edge.

وتنتقل بكاملها حول الحافة.

This means that the material conducts electricity around the edge

وهذا يعني أن المواد توصل الكهرباء حول الحافة

but not in the middle.

ولكن ليس في الوسط.

Here's where topology comes in.

وهنا يأتي تفسير علم الطوبولوجي.

This conductivity isn't affected by small changes in the material,

خاصية التوصيل لا تتأثر من خلال التغييرات الطفيفة في المواد،

like impurities or imperfections.

مثل الشوائب أو العيوب.

That's just like how the hole in the coffee cup

هذا مثل الفوهة في كوب القهوة

isn't changed by stretching it out.

التي لا تتغير بالشد.

The edge of such a topological insulator has perfect electron transport:

حافة مثل هذا العازل الطوبولوجي لديه خاصية توصيل إلكتروني في غاية الإتقان:

no electrons travel backward,

لا تنتقل الإلكترونات إلى الوراء.

no energy is lost as heat,

لا تُفقد الطاقة مثلما تُفقد الحرارة،

and the number of conducting pathways can even be controlled.

ويمكن حتى السيطرة على عدد مسارات التوصيل.

The electronics of the future could be built

من الممكن بناء مستقبل الألكترونات

to use this perfectly efficient electron highway.

واستخدام هذا الطريق السريع الفعال للغاية.

The topological properties of subatomic particles

الخصائص الطوبولوجية للجسيمات دون الذرية

could also transform quantum computing.

يمكنها أيضًا أن تغير الحوسبة الكمية.

Quantum computers take advantage of the fact

الحواسيب الكمية تستفيد من حقيقة

that subatomic particles can be in different states at the same time

أن الجسيمات دون الذرية يمكن أن يكون في حالات مختلفة في نفس الوقت

to store information in something called qubits.

لتخزين المعلومات في شيء يُدعى (الكوبيت).

These qubits can solve problems exponentially faster

يمكن حل المشاكل لهذه (الكويبتات) بشكل أسرع

than classical digital computers.

من أجهزة الكمبيوتر الرقمية الكلاسيكية.

The problem is that this data is so delicate

والمشكلة هي أن هذه البيانات دقيقة جدًا

that interaction with the environment can destroy it.

لدرجة يمكن للتفاعل مع البيئة أن يدمره.

But in some exotic topological phases,

ولكن في بعض المراحل الطوبولوجية الغريبة،

the subatomic particles can become protected.

يمكن للجسيمات دون الذرية أن تصبح محمية.

In other words, the qubits formed by them

وبعبارة أخرى، (الكويبتات) التي شكلتها

can't be changed by small or local disturbances.

لا يمكنها أن تتغير بالاضطرابات الصغيرة أو الداخلية.

These topological qubits would be more stable,

هذه الكويبتات الطوبولوجية ستكون أكثر استقرارًا،

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

مما يؤدي إلى حساب أكثر دقة وكمبيوتر كمي أفضل.

Topology was originally studied as a branch of purely abstract mathematics.

علم الطوبولوجيا بالأصل يتم دراسته كفرع من الرياضيات المجردة.

Thanks to the pioneering work of Thouless, Haldane, and Kosterlitz,

وبفضل العمل الرائد من (ثولس)، و(هالدين)، و(كوستيرليتز)،

we now know it can be used to understand the riddles of nature

الآن أصبحنا نعلم بأنه يمكن استخدامه لفهم ألغاز من الطبيعة

and to revolutionize the future of technologies.

وإحداث ثورة في مستقبل التقنيات.