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

Tradutor: Margarida Ferreira Revisora: Mafalda Ferreira

What if electricity could travel forever without being diminished?

E se a eletricidade conseguisse viajar sem parar, sem diminuir?

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

E se um computador pudesse funcionar exponencialmente mais depressa

e com uma exatidão perfeita?

What technology could those abilities build?

Que tecnologia poderia criar estas capacidades?

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

Podemos descobrir isso graças ao trabalho de três cientistas

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

que, em 2016, ganharam o Prémio Nobel da Física.

David Thouless,

David Thouless,

Duncan Haldane,

Duncan Haldane

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

e Michael Kosterlitz, ganharam este prémio, por descobrirem

that even microscopic matter at the smallest scale

que, mesmo a matéria microscópica, à mais pequena escala,

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

pode exibir propriedades macroscópicas e fases que são topológicas.

But what does that mean?

O que é que isto significa?

First of all, topology is a branch of mathematics

Primeiro, a topologia é um ramo da matemática

that focuses on fundamental properties of objects.

que se concentra nas propriedades fundamentais dos objetos.

As propriedades topológicas não se alteram quando um objeto é esticado ou dobrado.

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

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

O objeto tem de ser rasgado ou ligado em novos locais.

Um dónute e uma chávena de café têm o mesmo aspeto para um topólogo

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

because they both have one hole.

porque ambos têm um só orifício.

You could reshape a donut into a coffee cup

Podemos dar a um dónute a forma de uma chávena de café

and it would still have just one.

e ele continuaria a ter só um orifício.

That topological property is stable.

Esta propriedade topológica é estável.

Por outro lado, um "pretzel" tem três orifícios.

On the other hand, a pretzel has three holes.

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

Não há alterações graduais que transformem um dónute num "pretzel".

You'd have to tear two new holes.

Teríamos de abrir dois novos orifícios.

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

Durante muito tempo, não se percebia bem se a topologia podia ser útil

for describing the behaviors of subatomic particles.

para descrever os comportamentos das partículas subatómicas.

That's because particles, like electrons and photons,

Isso porque as partículas, como os eletrões e os fotões,

are subject to the strange laws of quantum physics,

estão sujeitas a leis estranhas da física quântica

which involve a great deal of uncertainty

que envolvem um grande grau de incerteza

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

que não vemos à escala das chávenas de café.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

Mas os laureados com o Nobel descobriram

que as propriedades topológicas existem ao nível quântico.

do exist at the quantum level.

And that discovery may revolutionize materials science,

Essa descoberta pode revolucionar a ciência dos materiais,

electronic engineering,

a engenharia eletrónica

and computer science.

e as ciências informáticas.

That's because these properties lend surprising stability

Isso porque estas propriedades conferem uma estabilidade surpreendente

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

e características notáveis a algumas fases exóticas da matéria

in the delicate quantum world.

no delicado mundo quântico.

One example is called a topological insulator.

Um exemplo chama-se isolador topológico.

Imaginem uma película de eletrões.

Imagine a film of electrons.

If a strong enough magnetic field passes through them,

Se passar através dele um campo magnético suficientemente forte,

each electron will start traveling in a circle,

cada eletrão começa a viajar num círculo,

which is called a closed orbit.

a que se chama uma órbita fechada.

Because the electrons are stuck in these loops,

Como os eletrões estão presos nestes círculos,

they're not conducting electricity.

não conduzem a eletricidade.

But at the edge of the material,

Mas na borda do material,

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

as órbitas passam a ser abertas,

interligam-se e apontam todas na mesma direção.

So electrons can jump from one orbit to the next

Assim, os eletrões podem saltar de uma órbita para a seguinte

and travel all the way around the edge.

e viajar até à borda.

This means that the material conducts electricity around the edge

Isso significa que o material conduz a eletricidade em toda a borda

but not in the middle.

mas não no meio.

Here's where topology comes in.

É aqui que entra a topologia.

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

Esta condutividade não é afetada por pequenas alterações do material,

like impurities or imperfections.

como impurezas ou imperfeições.

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

É como o orifício na chávena de café.

isn't changed by stretching it out.

que não se altera, se for esticado.

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

A borda dum isolador topológico transporta eletrões de modo perfeito:

no electrons travel backward,

nenhum eletrão volta para trás.

no energy is lost as heat,

não se perde energia sob a forma de calor

and the number of conducting pathways can even be controlled.

e o número de vias condutoras até pode ser controlado.

The electronics of the future could be built

A eletrónica do futuro pode ser criada

to use this perfectly efficient electron highway.

para usar esta autoestrada de eletrões perfeitamente eficaz.

The topological properties of subatomic particles

As propriedades topológicas das partículas subatómicas

could also transform quantum computing.

também podem transformar o cálculo quântico.

Quantum computers take advantage of the fact

Os computadores quânticos tiram partido do facto

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

de as partículas subatómicas poderem estar em estados diferentes

ao mesmo tempo

to store information in something called qubits.

para guardar informações numa coisa chamada "qubits".

Estes "qubits" podem resolver problemas

These qubits can solve problems exponentially faster

exponencialmente mais depressa do que os clássicos computadores digitais.

than classical digital computers.

The problem is that this data is so delicate

O problema é que estes dados são tão delicados

that interaction with the environment can destroy it.

que a interação com o ambiente pode destruí-los.

But in some exotic topological phases,

Mas, nalgumas fases topológicas exóticas,

the subatomic particles can become protected.

as partículas subatómicas podem ficar protegidas.

In other words, the qubits formed by them

Por outras palavras, os "qubits" formados por elas

can't be changed by small or local disturbances.

não podem ser alterados por perturbações pequenas ou locais.

These topological qubits would be more stable,

Estes "qubits" topológicos serão mais estáveis

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

levando a cálculos mais rigorosos e a um computador quântico melhor.

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

A topologia foi estudada inicialmente como um ramo da matemática pura abstrata.

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

Graças ao trabalho pioneiro de Thouless, Haldane, e Kosterlitz,

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

sabemos hoje que pode ser usada para compreender os enigmas da Natureza

and to revolutionize the future of technologies.

e para revolucionar o futuro das tecnologias.