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

Переводчик: Александра Муравьёва Редактор: Ростислав Голод

What if electricity could travel forever without being diminished?

Что было бы, если бы электричество сохраняло заряд независимо от расстояния?

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

Если бы компьютеры могли проводить точнейшие вычисления в разы быстрее?

What technology could those abilities build?

Какие технологии позволят этого достичь?

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

На эти вопросы мы сможем получить ответы благодаря работам трёх учёных,

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

в 2016 году получивших Нобелевскую премию по физике.

David Thouless,

Дэйвид Таулесс,

Duncan Haldane,

Данкан Холдейн

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

и Майкл Костерлиц получили премию за открытие того,

that even microscopic matter at the smallest scale

что у вещества даже на микроскопическом уровне проявляются

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

свойственные макроскопическому миру топологические свойства и состояния.

But what does that mean?

Но что же это значит?

First of all, topology is a branch of mathematics

Начнём с того, что топология — это раздел математики,

that focuses on fundamental properties of objects.

который занимается фундаментальными свойствами объектов.

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

Топологические свойства не изменяются от того, что объект согнут или растянут.

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

Чтобы изменить их, надо объект разорвать или склеить в новом месте.

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

Пончик и кружка ничем не отличаются друг от друга в глазах тополога,

because they both have one hole.

потому что у них обоих есть по одному отверстию.

You could reshape a donut into a coffee cup

Пончику можно придать форму кружки,

and it would still have just one.

но отверстие так и будет одно.

That topological property is stable.

Это топологическое свойство неизменно.

On the other hand, a pretzel has three holes.

С другой стороны, у брецеля три отверстия.

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

Нет плавной последовательности действий, чтобы из пончика сделать брецель.

You'd have to tear two new holes.

Надо всё равно будет сделать два новых отверстия.

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

Долгое время никто не мог понять, возможно ли топологически

for describing the behaviors of subatomic particles.

описать поведение субатомных частиц.

That's because particles, like electrons and photons,

Всё потому, что частицы, вроде электронов и фотонов,

are subject to the strange laws of quantum physics,

подчиняются странным законам квантовой физики,

which involve a great deal of uncertainty

которой свойственна неопределённость,

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

практически незаметная на уровне объектов размером с кружку.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

Но лауреаты Нобелевской премии обнаружили, что топологические свойства

do exist at the quantum level.

существуют и на квантовом уровне.

And that discovery may revolutionize materials science,

Это открытие может означать революцию в материаловедении,

electronic engineering,

электронике

and computer science.

и информатике.

That's because these properties lend surprising stability

Всё потому, что благодаря этим свойствам появляется удивительная стабильность

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

и исключительные характеристики у весьма экзотических состояний вещества

in the delicate quantum world.

в тонком и чувствительном мире квантов.

One example is called a topological insulator.

Один из примеров — топологический изолятор.

Imagine a film of electrons.

Представьте себе плёнку из электронов.

If a strong enough magnetic field passes through them,

Если через них проходит сильное магнитное поле,

each electron will start traveling in a circle,

каждый электрон начнёт двигаться по кругу,

which is called a closed orbit.

так называемой замкнутой орбите.

Because the electrons are stuck in these loops,

Электроны, застрявшие в этих петлях,

they're not conducting electricity.

не смогут проводить электричество.

But at the edge of the material,

Но на границах такого материала

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

орбиты становятся открытыми, соединяются и направлены в одну сторону.

So electrons can jump from one orbit to the next

Здесь электроны могут перепрыгивать с одной орбиты на другую

and travel all the way around the edge.

и свободно перемещаться по границам.

This means that the material conducts electricity around the edge

Это значит, что материал проводит электричество по границам,

but not in the middle.

но не в центре.

Here's where topology comes in.

Вот тут-то и нужна топология.

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

Эта проводимость не изменится из-за мелких изменений в материале,

like impurities or imperfections.

вроде неровностей или искажений.

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

Точно так же отверстие в кру́жке

isn't changed by stretching it out.

не изменяется от того, что его растягивают.

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

Границы такого топологического изолятора — идеальный электронный транспорт:

no electrons travel backward,

ни один электрон не движется назад,

no energy is lost as heat,

энергия не теряется на выделение тепла,

and the number of conducting pathways can even be controlled.

даже можно контролировать количество путей проведения.

The electronics of the future could be built

В будущем мы сможем создавать электронику

to use this perfectly efficient electron highway.

с применением электронных магистралей с идеальной продуктивностью.

The topological properties of subatomic particles

С помощью топологических свойств субатомных частиц

could also transform quantum computing.

можно изменить и квантовые компьютеры.

Quantum computers take advantage of the fact

В квантовых компьютерах используется свойство

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

субатомным частиц находиться в разных состояниях одновременно,

to store information in something called qubits.

благодаря чему информация хранится в так называемых кубитах.

These qubits can solve problems exponentially faster

Эти кубиты позволяют решать задачи во много раз быстрее,

than classical digital computers.

чем обычные цифровые компьютеры.

The problem is that this data is so delicate

Проблема в том, что такие данные настолько чувствительны,

that interaction with the environment can destroy it.

что могут быть утеряны из-за контакта с внешним миром.

But in some exotic topological phases,

Но в особо необычных топологических фазах

the subatomic particles can become protected.

есть шанс защитить субатомные частицы.

In other words, the qubits formed by them

Другими словами, созданные таким образом кубиты

can't be changed by small or local disturbances.

не изменятся под влиянием небольшого вмешательства со стороны.

These topological qubits would be more stable,

Такие топологические кубиты будут стабильнее,

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

и значит, расчёты станут точнее, а квантовые компьютеры — лучше.

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

Изначально, топология изучалась как совершенно абстрактный раздел математики.

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

Благодаря открытию Таулесса, Холдейна и Костерлица,

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

теперь с её помощью мы сможем разгадать загадки природы

and to revolutionize the future of technologies.

и совершить революцию в будущих технологиях.