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

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Sigal Tifferet

What if electricity could travel forever without being diminished?

מה היה קורה אם החשמל היה יכול לנוע לעד מבלי להחלש?

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

מה אם מחשב יכול היה לפעול אקספוננציאלית מהר יותר עם דיוק מושלם?

What technology could those abilities build?

איזו טכנולוגיה היכולות האלו יוכלו ליצור?

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

נוכל אולי לגלות תודות לעבודה של שלושה מדענים

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

שזכו בפרס הנובל בפיזיקה ב 2016.

David Thouless,

דויד תולס,

Duncan Haldane,

דאנקן הלדיין,

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

ומייקל קוסטרליץ זכו בפרס על הגילוי

that even microscopic matter at the smallest scale

שאפילו חומר מיקרוסקופי בקנה המידה הקטן ביותר

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

יכול להציג תכונות מאקרוסקופיות ומופעים שהם טופולוגיים.

But what does that mean?

אבל מה זה אומר?

First of all, topology is a branch of mathematics

ראשית, טופולוגיה היא ענף של מתמטיקה

that focuses on fundamental properties of objects.

שמתמקד בתכונות בסיסיות של עצמים.

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

תכונות טופולוגיות לא משתנות כשעצם נמתח או מקופל באיטיות.

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

העצם צריך להקרע או מחובר במקומות חדשים.

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

דונאט או כוס קפה נראים אותו הדבר לטופולוג

because they both have one hole.

בגלל שלשנייהם יש חור אחד.

You could reshape a donut into a coffee cup

תוכלו לעצב מחדש את הדונאט לכוס קפה

and it would still have just one.

ועדיין יהיה לה רק אחד.

That topological property is stable.

התכונה הטופולוגית הזו היא יציבה.

On the other hand, a pretzel has three holes.

מצד שני, לפרצל יש שלושה חורים.

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

אין שינויים אינקרמנטליים חלקים שיהפכו דונאט לפרצל.

You'd have to tear two new holes.

צריך לקרוע שני חורים חדשים.

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

במשך זמן רב, זה לא היה ברור אם טופולוגיה היא שימושית

for describing the behaviors of subatomic particles.

לתאור ההתנהגות של חלקיקים תת אטומיים.

That's because particles, like electrons and photons,

זה בגלל שלחלקיקים כמו אלקטרונים ופוטונים,

are subject to the strange laws of quantum physics,

נתונים לחוקים המוזרים של מכאניקה קוואנטית,

which involve a great deal of uncertainty

שכוללת הרבה חוסר וודאות

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

שאנחנו לא רואים בקנה המידה של כוסות קפה.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

אבל זוכי הנובל גילו שתכונות טופולוגיות

do exist at the quantum level.

קיימות ברמה הקוואנטית.

And that discovery may revolutionize materials science,

והגילוי אולי יעשה מהפכה במדעי החומר,

electronic engineering,

הנדסת אלקטרוניקה,

and computer science.

ומדעי המחשב.

That's because these properties lend surprising stability

זה בגלל שהתכונות האלו תורמות ליציבות מפתיעה

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

ותכונות יוצאות דופן לכמה מופעים אקזוטיים של חומר

in the delicate quantum world.

בעולם הקוואנטי העדין.

One example is called a topological insulator.

דוגמה אחת נקראת מבודד טופולוגי.

Imagine a film of electrons.

דמיינו פילם של אלקטרונים.

If a strong enough magnetic field passes through them,

אם שדה מגנטי חזק מספיק עובר דרכם,

each electron will start traveling in a circle,

כל אלקטרון יתחיל לנוע במעגל,

which is called a closed orbit.

שנקרא מסלול סגור.

Because the electrons are stuck in these loops,

בגלל שהאלקטרונים תקועים בלולואות האלו,

they're not conducting electricity.

הם לא מוליכים חשמל.

But at the edge of the material,

אבל בקצה החומר,

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

המסלולים הופכים פתוחים, מחוברים, וכולם מצביעים לאותו כיוון.

So electrons can jump from one orbit to the next

אז אלקטרונים יכולים לקפוץ ממסלול אחד לאחר

and travel all the way around the edge.

ולנוע כל הדרך מסביב לקצה.

This means that the material conducts electricity around the edge

זה אומר שהחומר מוליך חשמל מסביב לקצה

but not in the middle.

אבל לא במרכז.

Here's where topology comes in.

לפה נכנסת הטופולוגיה.

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

המוליכות לא מושפעת על ידי שינויים קטנים בחומר,

like impurities or imperfections.

כמו פגמים זעירים או חוסר שלמות.

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

זה ממש כמו איך שהחור בכוס הקפה

isn't changed by stretching it out.

לא משתנה על ידי מתיחתו.

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

לקצה של כזה מבודד טופולוגי יש העברת אלקטרונים מושלמת:

no electrons travel backward,

אף אלקטרון לא נע אחורה,

no energy is lost as heat,

אנרגיה לא נאבדת כחום,

and the number of conducting pathways can even be controlled.

ומספר הדרכים המוליכות יכול אפילו להיות בשליטה.

The electronics of the future could be built

האקלטרוניקה של העתיד יכולה להבנות

to use this perfectly efficient electron highway.

בשימוש בדרך האפקטיבית בשלמות הזו.

The topological properties of subatomic particles

התכונות הטופולוגיות של חלקיקים תת אטומיים

could also transform quantum computing.

יכולות גם לשנות את המחשוב הקוואטי.

Quantum computers take advantage of the fact

מחשבים קוואנטיים יכולים לקבל תועלת מהעובדה

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

שחלקיקים תת אטומיים יכולים להיות במצבים שונים באותו זמן

to store information in something called qubits.

כדי לאגור מידע במשהו שנקרא קיוביטים.

These qubits can solve problems exponentially faster

קיוביטים אלה יכולים לפתור בעיות אקספוננציאלית מהר יותר

than classical digital computers.

ממחשבים דיגיטליים קלאסיים.

The problem is that this data is so delicate

הבעיה היא שהמידע הזה כל כך עדין

that interaction with the environment can destroy it.

שתקשורת עם הסביבה יכולה להשמיד אותו.

But in some exotic topological phases,

אבל בכמה מופעים טופולוגיים אקזוטיים,

the subatomic particles can become protected.

החלקיקים התת אטומיים יכולים להפוך למוגנים.

In other words, the qubits formed by them

במילים אחרות, הקיוביטים שנוצרים על ידם

can't be changed by small or local disturbances.

לא יכולים להשתנות על ידי הפרעות מקומיות או קטנות.

These topological qubits would be more stable,

הקיוביטים הטופולוגיים האלה יהיו יותר יציבים,

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

מה שמוביל לחישובים יותר מדוייקים ומחשב קוואנטי טוב יותר.

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

טופולוגיה נחקרה במקור כענף של מתמטיקה אבסטרקטית טהורה.

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

תודות לעבודה פורצת הדרך של ת'אולס, הלדן וקוסטרליץ,

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

אנחנו עכשיו יודעים שהיא יכולה לשמש כדי להבין את חידות הטבע

and to revolutionize the future of technologies.

ולעשות מהפכה בעתיד הטכנולוגיה.