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

Translator: sadegh zabihi Reviewer: masoud paktinat

What if electricity could travel forever without being diminished?

چه می‌شد اگر الکتریسیته می‌توانست بدون هدر رفتن تا ابد سفر کند؟

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

چه می‌شد اگر یک کامپیوتر می‌توانست به صورت نمایی سریع‌تر و با دقت کامل پردازش کند؟

What technology could those abilities build?

آن توانایی‌ها می‌توانستند چه فناوری‌هایی بسازند؟

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

با تشکر از فعالیت سه دانشمند که جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۶ را برنده شدند

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

ممکن است بتوانیم بفهمیم.

David Thouless,

دیوید تولس،

Duncan Haldane,

دانکن هالدین،

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

و مایکل کاسترلیتس جایزه را بردند چون کشف کردند

that even microscopic matter at the smallest scale

که حتی ذرات میکروسکوپی در کوچک‌ترین ابعاد

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

می‌توانند ویژگی‌ها و حالت‌های ماکروسکوپی از خود نشان بدهند که توپولوژیکی هستند.

But what does that mean?

اما این یعنی چه؟

First of all, topology is a branch of mathematics

اول از همه، توپولوژی شاخه‌ای از ریاضیات است

that focuses on fundamental properties of objects.

که بر خواص اساسی اشیاء تمرکز دارد.

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

ویژگی‌های توپولوژیک وقتی که جسم به تدریج کش می‌آید یا خم می‌شود تغییر نمی‌کنند.

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

شیء باید خرد شود یا به جای جدیدی متصل شود.

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

از دید یک توپولوژیست یک دونات و یک فنجان یکسان به نظر می‌رسند

because they both have one hole.

چون هردو یک حفره دارند.

You could reshape a donut into a coffee cup

می‌توانید دونات را به شکل یک فنجان دربیاورید

and it would still have just one.

و هنوز هم یک سوراخ خواهد داشت.

That topological property is stable.

این ویژگی توپولوژیکی پایدار است.

On the other hand, a pretzel has three holes.

از طرف دیگر، یک پرتسل سه حفره دارد.

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

هیچ تغییر تدریجی و یکنواختی نیست که بتواند یک دونات را به یک پرتسل تبدیل کند.

You'd have to tear two new holes.

باید دو جای دیگر را سوراخ کنید.

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

برای مدتی طولانی، روشن نبود که توپولوژی

for describing the behaviors of subatomic particles.

برای تشریح خواص ذرات زیراتمی فایده دارد یا نه.

That's because particles, like electrons and photons,

دلیل آن این است که ذراتی، مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها،

are subject to the strange laws of quantum physics,

موضوع قوانین غریب فیزیک کوانتوم هستند،

which involve a great deal of uncertainty

که شامل میزان زیادی عدم قطعیت است

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

که در ابعاد فنجان‌ها مشاهده نمی‌شود.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

اما برندگان جایزه نوبل کشف کردند که خواص توپولوژیکی

do exist at the quantum level.

در ابعاد کوانتومی وجود دارند.

And that discovery may revolutionize materials science,

و این اکتشاف می‌تواند علم مواد،

electronic engineering,

مهندسی الکترونیک،

and computer science.

و علوم کامپیوتر را متحول کند.

That's because these properties lend surprising stability

این به آن علت است که این ویژگی‌ها موجب پایداری غیرمنتظره

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

و خصوصیاتی با اهمیت برای حالت‌های عجیبی از ماده

in the delicate quantum world.

در دنیای ظریف کوانتم می‌شوند.

One example is called a topological insulator.

یک مثال عایق توپولوژیکی نام دارد.

Imagine a film of electrons.

یک غشا از الکترون‌ها را در نظر بگیرید.

If a strong enough magnetic field passes through them,

اگر میدان مغناطیسی با قدرت کافی از میان آن عبور کند،

each electron will start traveling in a circle,

هر الکترون شروع به چرخیدن در یک دایره می‌کند،

which is called a closed orbit.

که مدار بسته نامیده می‌شود.

Because the electrons are stuck in these loops,

از آنجا که الکترون‌ها در این چرخه‌ها گرفتار هستند،

they're not conducting electricity.

رسانای الکتریسیته نخواهند بود.

But at the edge of the material,

اما لبه ماده،

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

مدارها باز و به هم متصل می‌شوند و جهت همگی به یک سمت خواهد بود.

So electrons can jump from one orbit to the next

پس الکترون‌ها می‌توانند از مداری به مدار بعدی بپرند

and travel all the way around the edge.

و تمام راه را روی لبه حرکت کنند.

This means that the material conducts electricity around the edge

این یعنی ماده روی لبه رسانای الکتریسیته است

but not in the middle.

و در وسط نیست.

Here's where topology comes in.

این جایی است که توپولوژی وارد می‌شود.

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

این رسانایی با تغییرات اندکی در ماده

like impurities or imperfections.

مثل ناخالصی یا نقص تغییری نمی‌کند.

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

درست مثل سوراخ فنجان قهوه

isn't changed by stretching it out.

که با کشیدن تغییر نمی‌کند.

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

لبه‌های چنین عایق توپولوژیکی الکترون‌ها را بی‌نقص جابجا می‌کند:

no electrons travel backward,

هیچ الکترونی به عقب برنمی‌گردد،

no energy is lost as heat,

هیچ انرژی به صورت گرما هدر نمی‌رود،

and the number of conducting pathways can even be controlled.

و حتی تعداد مسیرهای رسانایی هم قابل کنترل است.

The electronics of the future could be built

الکترونیک آینده می‌تواند

to use this perfectly efficient electron highway.

با استفاده از این بزرگراه‌های الکترون با بازدهی کامل ساخته شود.

The topological properties of subatomic particles

ویژگی‌های توپولوژیکی ذرات زیراتمی

could also transform quantum computing.

همچنین می‌تواند محاسبات کوانتمی را تغییر دهد.

Quantum computers take advantage of the fact

کامپیوترهای کوانتومی از این نکته بهره می‌برند

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

که ذرات زیراتمی در آن واحد می‌توانند در حالت‌های مختلف وجود داشته باشند

to store information in something called qubits.

تا اطلاعات را در چیزهایی به نام کیوبیت ذخیره کنند.

These qubits can solve problems exponentially faster

این کیوبیت‌ها می‌توانند مسائل را به صورت نمایی

than classical digital computers.

سریع‌تر از کامپیوترهای دیجیتالی سنتی حل کنند.

The problem is that this data is so delicate

مشکل اینجاست که این اطلاعات به حدی ظریف است

that interaction with the environment can destroy it.

که تعامل با محیط موجب از بین رفتن آنها می‌شود.

But in some exotic topological phases,

اما در بعضی حالت‌های توپولوژیک عجیب،

the subatomic particles can become protected.

ذرات زیراتمی می‌توانند تحت حفاظت قرار بگیرند.

In other words, the qubits formed by them

به بیان دیگر، کیوبیت‌هایی که توسط آنها شکل داده شده‌اند

can't be changed by small or local disturbances.

با اغتشاشات کوچک یا محلی تغییر نمی‌کنند.

These topological qubits would be more stable,

این کیوبیت‌های توپولوژیک پایدارتر خواهند بود،

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

و محاسبات دقیق‌ترو کامپیوترهای کوانتومی بهتری را ایجاد خواهند کرد.

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

توپولوژی در ابتدا به عنوان شاخه‌ای کاملاً انتزاعی از ریاضیات مطالعه می‌شد.

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

به لطف فعالیت پیشگامانه تولس، هالدین، و کاسترلیتس،

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

اکنون می‌دانیم که می‌توان از آن برای درک معمای طبیعت

and to revolutionize the future of technologies.

و دگرگون کردن آینده فناوری استفاده کرد.