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

번역: Sungen K 검토: Jihyeon J. Kim

What if electricity could travel forever without being diminished?

전기가 약화되지 않고 영원히 쓸 수 있다면 어떨까요?

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

컴퓨터가 완벽히 정확하면서 기하급수적인 속도로 구동되면 어떨까요?

What technology could those abilities build?

어떤 기술이 이 능력을 가능하게 할 수 있을까요?

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

우리는 2016년에 노벨 물리학상을 수상한

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

세 가지 연구에서 그 답을 찾을 수 있습니다.

David Thouless,

데이빗 소울레스

Duncan Haldane,

던컨 홀데인

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

마이클 코스테리츠의 연구로

that even microscopic matter at the smallest scale

미시 세계의 입자들도

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

거시적인 성질을 나타낼 수 있다는 발견입니다

But what does that mean?

이것이 무슨 의미일까요?

First of all, topology is a branch of mathematics

먼저, 위상기하학은 물체의 근본적인 특성에

that focuses on fundamental properties of objects.

집중한 수학에 그 뿌리를 두고 있습니다

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

위상기하학적 특성은 물체가 늘려지거나 구부러지거나

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

물체가 찢어지거나 새로 붙여도 바뀌지 않습니다

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

도넛과 커피는 기하학자의 눈으로 보면 같습니다

because they both have one hole.

모두 구멍이 하나이니까요.

You could reshape a donut into a coffee cup

도넛을 커피컵으로 모양을 바꿔도

and it would still have just one.

여전히 구멍이 하나인 것처럼

That topological property is stable.

위상 기하학적 특성은 변함이 없습니다

On the other hand, a pretzel has three holes.

다른 예를 들어 보자면, 프레젤은 구멍 세 개가 있습니다.

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

어떤 변화를 도넛에 가해도 도넛은 프레젤이 될 수 없습니다.

You'd have to tear two new holes.

구멍 두 개를 새로 뚫어야 하죠.

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

오랫동안 위상 기하학이 원자보다 더 작은 입자의 행동을 설명하는데

for describing the behaviors of subatomic particles.

실용적인지 아닌지는 확신할 수 없었습니다

That's because particles, like electrons and photons,

전자와 광자 같은 입자들은

are subject to the strange laws of quantum physics,

양자 역학의 불확실성과 같은

which involve a great deal of uncertainty

이상한 규칙에 따르기 때문이죠.

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

그래서 우리는 커피컵을 보는 눈으로 볼 수 없는 것입니다.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

하지만 이 노벨상 수상자들은

do exist at the quantum level.

양자 수준에서도 적용되는 위상기하학적인 특성들을 발견했습니다.

And that discovery may revolutionize materials science,

이 발견은 재료공학과

electronic engineering,

전기공학,

and computer science.

컴퓨터 과학의 혁명이었습니다.

That's because these properties lend surprising stability

왜냐하면 이 특징들은 놀랄만한 안전성과

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

양자 세계와 같은 특이한 세계에서의

in the delicate quantum world.

특성을 제공하기 때문이죠.

One example is called a topological insulator.

예를 들어, 위상기하학적 절연체가 있다고 하겠습니다.

Imagine a film of electrons.

전자의 막을 상상해보십시오.

If a strong enough magnetic field passes through them,

자기장이 전자 사이를 통과하면

each electron will start traveling in a circle,

전자는 원을 따라 돕니다

which is called a closed orbit.

우리는 이를 닫힌 궤도라 부르죠.

Because the electrons are stuck in these loops,

전자가 그 궤도에 갇히기 때문에

they're not conducting electricity.

이 전자들은 전기를 생산하지 못합니다.

But at the edge of the material,

그러나, 물체의 가장자리에서는

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

궤도가 열리고 서로 연결되어 모두 같은 방향을 가르킵니다

So electrons can jump from one orbit to the next

전자는 하나의 궤도에서 다른 궤도로 뛰어오르고

and travel all the way around the edge.

그 가장자리를 돌게 된다는 거죠.

This means that the material conducts electricity around the edge

이것이 바로 물체가 중간이 아닌 가장자리에서

but not in the middle.

전기를 생산한다는 의미입니다.

Here's where topology comes in.

여기에 위상기하학을 접목시키는 겁니다.

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

이 전도성은 물체에서

like impurities or imperfections.

불순물이나 결함같은 작은 변화들에 영향 받지 않습니다.

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

이는 커피컵의 구멍과 같아서

isn't changed by stretching it out.

그것을 늘인다고 해서 변하지 않습니다

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

기하학적 절연체의 가장자리에서는 완벽한 전자 수송이 이루어집니다

no electrons travel backward,

전자는 뒤로 가지 않고요.

no energy is lost as heat,

열에 의해 에너지가 손실되지 않고

and the number of conducting pathways can even be controlled.

전도되는 통로도 통제되는 완벽한 수송이요.

The electronics of the future could be built

이를 효과적인 전자 통로로 활용하면

to use this perfectly efficient electron highway.

미래의 전자 공학을 만들 수 있습니다.

The topological properties of subatomic particles

양자보다 작은 입자의 위상 기하학적 특성은

could also transform quantum computing.

퀀텀 컴퓨팅도 변화시킬 수 있습니다.

Quantum computers take advantage of the fact

퀀텀 컴퓨터는 양자보다 작은 입자가

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

동시에 다른 상태에 존재할 수 있다는 사실을

to store information in something called qubits.

정보를 큐비트라는 곳에 저장하는 데에 이용합니다.

These qubits can solve problems exponentially faster

큐비트는 고전적인 디지털 컴퓨터보다

than classical digital computers.

훨씬 빠르게 문제를 해결합니다

The problem is that this data is so delicate

문제는 이 데이터들이 너무 섬세해서

that interaction with the environment can destroy it.

환경의 상호작용이 그것을 파괴할 수 있다는 점입니다.

But in some exotic topological phases,

하지만 위상기하학적 관점에서 보면

the subatomic particles can become protected.

양자보다 작은 입자는 보호됩니다

In other words, the qubits formed by them

다른 말로 하면 이런 식으로 형성된 큐비트는

can't be changed by small or local disturbances.

작거나 지역적인 방해에 바뀔 수 없다는 거죠.

These topological qubits would be more stable,

이 위상기하학적 큐비트는 안정적이고

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

더 정확한 컴퓨팅과 더 나은 퀀텀으로 만들어집니다.

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

위상기하학은 순수하고 추상적인 것에서 시작되었습니다.

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

노벨상 수상자 3인의 선구적인 연구에 감사하며

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

우리는 자연의 신비를 이해하고

and to revolutionize the future of technologies.

기술의 미래를 혁신할 수 있게 되었습니다.