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

翻訳: Tomoyuki Suzuki 校正: Misaki Sato

What if electricity could travel forever without being diminished?

もし電流が減衰することなく 永遠に流れ続けるとしたら？

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

もしコンピューターが指数関数的に速く 正確に作動するとしたら？

What technology could those abilities build?

このようなことが実現したら どんな技術が生まれるでしょう？

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

2016年にノーベル物理学賞を受賞した ３人の科学者たちの研究のおかげで

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

こういうことを考えられるようになるでしょう

David Thouless,

デイヴィッド・サウレス

Duncan Haldane,

ダンカン・ホールデン

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

マイケル・コステリッツが受賞した理由は

that even microscopic matter at the smallest scale

最も微小なスケールにおける 微視的な物質でさえも

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

トポロジカルな巨視的性質や相を 示すことを発見した業績によります

But what does that mean?

これは一体どういう意味でしょう？

First of all, topology is a branch of mathematics

まず最初に トポロジー(位相幾何学)とは 数学の一分野のことで

that focuses on fundamental properties of objects.

物体の基本的な性質に 注目しています

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

トポロジカルな性質は物体を連続的に 曲げ伸ばしても変りません

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

物体の性質を変えるには引き裂いたり 別の物体と合体させる必要があります

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

位相幾何学者は ドーナッツとコーヒーカップは同じとみなします

because they both have one hole.

どちらも穴が１つあるからです

You could reshape a donut into a coffee cup

ドーナッツをコーヒーカップに 変形させても

and it would still have just one.

穴は１つのままです

That topological property is stable.

トポロジカルな性質は不変です

On the other hand, a pretzel has three holes.

一方 プレッツェルには ３つの穴があります

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

ドーナッツを滑らかに連続的に変形し プレッツェルにする方法はありません

You'd have to tear two new holes.

２つの穴を新たに作るしかありません

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

長年 トポロジーが 亜原子粒子の振る舞いの記述に

for describing the behaviors of subatomic particles.

役立つのかは 明らかではありませんでした

That's because particles, like electrons and photons,

なぜなら 電子や光子のような粒子は

are subject to the strange laws of quantum physics,

大きな不確実性を伴う 奇妙な量子力学の法則に従っているからです

which involve a great deal of uncertainty

大きな不確実性を伴う 奇妙な量子力学の法則に従っているからです

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

これはコーヒーカップのスケールでは 見られない振る舞いです

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

しかしノーベル賞の受賞者たちは トポロジカルな性質が

do exist at the quantum level.

量子のレベルでも存在することを 発見しました

And that discovery may revolutionize materials science,

この発見は物性科学や

electronic engineering,

電子工学、コンピューターサイエンスに 革命をもたらすかもしれません

and computer science.

That's because these properties lend surprising stability

なぜなら 繊細な量子の世界においても

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

物質の奇妙な相に対し 驚くべき安定性や

in the delicate quantum world.

注目すべき性質をもたらすからです

One example is called a topological insulator.

一例として トポロジカルな絶縁体があります

Imagine a film of electrons.

電子が薄い層を形成している様子を 想像してください

If a strong enough magnetic field passes through them,

十分に強い磁場がこれを透過すると

each electron will start traveling in a circle,

個々の電子は閉軌道という 円周上を回り始めます

which is called a closed orbit.

個々の電子は閉軌道という 円周上を回り始めます

Because the electrons are stuck in these loops,

電子はこのループに 閉じ込められているため

they're not conducting electricity.

電流は流れません

But at the edge of the material,

しかし 物質の周辺部では

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

軌道が開き 互いに繋がり 全ての電子が同じ方向を向きます

So electrons can jump from one orbit to the next

すると電子は１つの軌道から 隣接する軌道へと跳躍し

and travel all the way around the edge.

周辺部を動き回ります

This means that the material conducts electricity around the edge

つまり物質の周辺部では 電流が流れるものの

but not in the middle.

中央部では流れないことを意味します

Here's where topology comes in.

ここでトポロジーが関係してきます

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

このような導電性は 物質の不純物や不完全性といった

like impurities or imperfections.

多少の変化には 影響を受けません

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

ちょうどコーヒーカップの穴が

isn't changed by stretching it out.

伸ばしても そのままであることと似ています

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

トポロジカルな絶縁体の周辺部は 電子を完全に伝搬させますが

no electrons travel backward,

後ろ向きには流れず

no energy is lost as heat,

エネルギーが熱となって 失われることもなく

and the number of conducting pathways can even be controlled.

電流が流れる経路の数を 制御することさえも可能です

The electronics of the future could be built

将来の電子工学は

to use this perfectly efficient electron highway.

この完全に効率的な電子ハイウェイを用いて 構築されるかもしれません

The topological properties of subatomic particles

亜原子粒子のトポロジカルな性質は

could also transform quantum computing.

量子コンピューターさえも 一変させるかもしれません

Quantum computers take advantage of the fact

量子コンピューターは

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

亜原子粒子が同時に異なる状態を取り

to store information in something called qubits.

キュービットという情報を蓄える 仕組みを利用しています

These qubits can solve problems exponentially faster

キュービットは 古典的なコンピューターに比べ

than classical digital computers.

指数関数的に高速に 解を得ることができます

The problem is that this data is so delicate

問題は このデータが とても繊細なため

that interaction with the environment can destroy it.

周囲環境との相互作用によって 破壊されうることです

But in some exotic topological phases,

しかし 奇妙な トポロジカルな相においては

the subatomic particles can become protected.

亜原子粒子は保護されます

In other words, the qubits formed by them

これは粒子によって作られた キュービットが

can't be changed by small or local disturbances.

小さな もしくは局所的な擾乱では 変化しないことを意味します

These topological qubits would be more stable,

このようなトポロジカルなキュービットは より安定した状態となり

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

より正確で より優れた 量子コンピューターの誕生につながります

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

トポロジーは元々 純粋に抽象的な 数学の一分野として研究されましたが

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

サウレス、ホールデン、コステリッツの 先駆的な研究のおかげで

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

今では 自然の謎を解き明かしたり

and to revolutionize the future of technologies.

将来の技術革新に 利用できそうだと分かりました