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

Traductor: Yoshinori Casas Revisor: Sebastian Betti

What if electricity could travel forever without being diminished?

¿Qué sucedería si la electricidad pudiera viajar para siempre sin disminuir?

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

¿Y si un computador pudiera procesar más rápido con exactitud perfecta?

What technology could those abilities build?

¿Qué tecnologías podrían construir esas habilidades?

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

Podríamos descubrirlo gracias al trabajo de los tres científicos

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

que ganaron el Premio Nobel de Física en el 2016.

David Thouless,

David Thouless,

Duncan Haldane,

Duncan Haldane,

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

y Michael Kosterlitz ganaron el premio por descubrir

that even microscopic matter at the smallest scale

que incluso materia microscópica a la escala más pequeña

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

puede presentar propiedades macroscópicas y fases topológicas.

But what does that mean?

Pero, ¿qué significa eso?

First of all, topology is a branch of mathematics

Primero, la topología es una rama de las matemáticas

that focuses on fundamental properties of objects.

que se enfoca en las propiedades fundamentales de los objetos.

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

Las propiedades topológicas no cambian al expandir o doblar el objeto.

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

El objeto tiene que ser rasgado o unido a nuevos lugares.

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

Una dona y una taza de café son lo mismo para un topólogo

because they both have one hole.

porque ambas tienen un agujero.

You could reshape a donut into a coffee cup

Tú podrías convertir una dona en una taza de café

and it would still have just one.

y aún tendrías solo un agujero.

That topological property is stable.

Esa propiedad topológica es constante.

On the other hand, a pretzel has three holes.

Por otro lado, un pretzel tiene tres agujeros.

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

No hay pequeños cambios que puedan convertir una dona en un pretzel.

You'd have to tear two new holes.

Tú tendrías que abrir dos agujeros nuevos.

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

Por mucho tiempo no estuvo claro si la topología era útil

for describing the behaviors of subatomic particles.

para describir los comportamientos de las partículas subatómicas.

That's because particles, like electrons and photons,

Eso sucede porque las partículas, como electrones y fotones,

are subject to the strange laws of quantum physics,

son objeto de las extrañas leyes de la física cuántica,

which involve a great deal of uncertainty

que incluye bastante incertidumbre

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

no observada a la escala de las tasas de café.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

Pero los Premio Nobel descubrieron que las propiedades topológicas

do exist at the quantum level.

existen a nivel cuántico.

And that discovery may revolutionize materials science,

Y ese descubrimiento puede revolucionar la ciencia de los materiales,

electronic engineering,

la ingeniería electrónica,

and computer science.

y las ciencias de la computación.

That's because these properties lend surprising stability

Porque estas propiedades generan una estabilidad sorprendente

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

y características extraordinarias para algunas fases exóticas de la materia

in the delicate quantum world.

en el delicado mundo cuántico.

One example is called a topological insulator.

Un ejemplo es el aislador topológico.

Imagine a film of electrons.

Imagina una capa de electrones.

If a strong enough magnetic field passes through them,

Si un campo magnético fuerte pasa a través de ellos,

each electron will start traveling in a circle,

cada electrón comenzará a moverse en círculos,

which is called a closed orbit.

lo que se llama una órbita cerrada.

Because the electrons are stuck in these loops,

Como los electrones están atrapados en estos círculos,

they're not conducting electricity.

no conducen electricidad.

But at the edge of the material,

Pero en el borde del material,

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

las orbitas están abiertas, conectadas y apuntando en la misma dirección.

So electrons can jump from one orbit to the next

Así, los electrones pueden saltar de una órbita a otra

and travel all the way around the edge.

y viajar por todo el borde.

This means that the material conducts electricity around the edge

Esto significa que el material conduce electricidad alrededor del borde

but not in the middle.

pero no en la mitad.

Here's where topology comes in.

Aquí es donde aparece la topología.

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

La conductividad no se ve afectada por pequeños cambios en el material,

like impurities or imperfections.

como impurezas o imperfecciones.

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

De la misma manera que el agujero en la tasa de café

isn't changed by stretching it out.

no cambia al estirarlo.

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

El borde del aislador topológico transporta electrones perfectamente:

no electrons travel backward,

ningún electrón viaja al contrario,

no energy is lost as heat,

no hay pérdida de energía como calor,

and the number of conducting pathways can even be controlled.

e incluso puede controlarse el número de caminos conductores.

The electronics of the future could be built

Podría crearse la electrónica del futuro

to use this perfectly efficient electron highway.

para usar esta autopista perfecta de electrones.

The topological properties of subatomic particles

Las propiedades topológicas de partículas subatómicas

could also transform quantum computing.

también pueden transformar la computación cuántica.

Quantum computers take advantage of the fact

Los computadores cuánticos aprovechan que las partículas subatómicas

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

pueden estar en diferentes estados al mismo tiempo

to store information in something called qubits.

para guardar información en algo llamado "qubits".

These qubits can solve problems exponentially faster

Los qubits pueden solucionar problemas exponencialmente más rápido

than classical digital computers.

que los computadores clásicos digitales.

The problem is that this data is so delicate

El problema es que estos datos son tan delicados

that interaction with the environment can destroy it.

que pueden ser destruidos al interactuar con el ambiente.

But in some exotic topological phases,

Pero en alguna fase topológica exótica,

the subatomic particles can become protected.

las partículas subatómicas pueden ser protegidas.

In other words, the qubits formed by them

En otras palabras, los qubits creados

can't be changed by small or local disturbances.

no pueden cambiar con perturbaciones locales o pequeñas.

These topological qubits would be more stable,

Los qubits topológicos serían más estables

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

llevando a cálculos más exactos y mejores computadores cuánticos.

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

La topología fue originalmente estudiada como una rama de la matemática abstracta.

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

Gracias al trabajo pionero de Thouless, Haldane, and Kosterlitz,

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

ahora sabemos que puede servir para entender los acertijos de la naturaleza

and to revolutionize the future of technologies.

y para revolucionar el futuro de las tecnologías.