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

Translator: Nichakorn Pansansailom Reviewer: Sakunphat Jirawuthitanant

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ ได้ตลอดกาลโดยไม่เกิดการลดทอน

What if electricity could travel forever without being diminished?

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

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้ อย่างรวดเร็วขึ้นพร้อมกับความแม่นยำสูง

What technology could those abilities build?

เทคโนโลยีอะไร ที่ทำให้เกิดความสามารถเหล่านั้นได้

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

พวกเราอาจจะค้นพบได้จากงานวิจัย ของนักวิทยาศาสตร์ 3 ท่าน

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2016

David Thouless,

เดวิด เธาเลส

Duncan Haldane,

ดันแคน ฮัลเดน

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

และไมเคิล คอสเตอร์ลิตซ์ ซึ่งได้รับรางวัล จากการค้นพบ

that even microscopic matter at the smallest scale

ว่าแม้ว่าสสารที่อยู่ในสเกลที่เล็กที่สุด

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

ก็สามารถแสดงสมบัติที่ในระดับที่มองเห็นได้ ด้วยตาเปล่าและส่วนต่างๆ ที่ยังเชื่อมต่อกัน

But what does that mean?

ว่าแต่ นั่นมันหมายถึงอะไร?

First of all, topology is a branch of mathematics

ก่อนอื่น ทอพอโลจีคือสาขาหนึ่งของคณิตศาสตร์

that focuses on fundamental properties of objects.

ที่มุ่งเน้นเกี่ยวกับสมบัติพื้นฐานของวัตถุ

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

สมบัติทอพอโลยีไม่ได้เปลี่ยนแปลงไป เมื่อวัตถุค่อยๆ ยืดหรืองอ

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

วัตถุนั้นจะต้องฉีกขาดหรือติดอยู่กับที่ใหม่

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

โดนัทและแก้วกาแฟ มีรูปร่างเหมือนกันในเชิงทอพอโลจี

because they both have one hole.

เนื่องจากทั้งสองมี 1 รูเหมือนกัน

You could reshape a donut into a coffee cup

คุณสามารถ เปลี่ยนรูปร่างโดนัทให้เป็นแก้วกาแฟได้

and it would still have just one.

และมันจะยังมีเพียงแค่ 1 รู

That topological property is stable.

เพราะว่าสมบัติทอพอโลจีนั้นเสถียร

On the other hand, a pretzel has three holes.

ในอีกทางหนึ่ง เพรทเซลมี 3 รู

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

จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมแบบง่ายใดๆ ที่จะเปลี่ยนโดนัทเป็นเพรทเซลได้

You'd have to tear two new holes.

คุณจะต้องแบ่งให้มีรูใหม่อีกสองรู

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

เป็นเวลานาน ที่มันยังไม่ชัดเจนว่าทอพอโลจี นั้นเป็นประโยชน์

for describing the behaviors of subatomic particles.

ในการอธิบายพฤติกรรม อนุภาคย่อยของอะตอม

That's because particles, like electrons and photons,

นั่นก็เป็นเพราะว่าอนุภาค เช่น อิเล็กตรอนและโปรตรอน

are subject to the strange laws of quantum physics,

อยู่ภายใต้กฎแปลกๆ ของควอนตัมฟิสิกส์

which involve a great deal of uncertainty

ซึ่งเกี่ยวกับความไม่แน่นอนอย่างเต็มๆ

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

ที่ซึ่งพวกเรามองไม่เห็น ในระดับเดียวกับแก้วกาแฟ

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

แต่เหล่าผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบลได้ค้นพบว่า สมบัติทอพอโลจี

do exist at the quantum level.

เกิดขึ้นได้ในระดับควอนตัม

And that discovery may revolutionize materials science,

และการค้นพบนี้อาจพลิกโฉมวงการวัสดุศาสตร์

electronic engineering,

วิศวกรรมไฟฟ้า

and computer science.

และวิทยาการคอมพิวเตอร์

That's because these properties lend surprising stability

นั่นเป็นเพราะว่าสมบัติเหล่านี้ ช่วยให้เกิดความเสถียรอย่างเหลือเชื่อ

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

และลักษณะเฉพาะที่โดดเด่น ต่อส่วนที่แปลกประหลาดของสสาร

in the delicate quantum world.

ในโลกควอนตัมที่ละเอียดอ่อน

One example is called a topological insulator.

มีตัวอย่างหนึ่งชื่อว่า ฉนวนทอพอโลจี

Imagine a film of electrons.

ลองนึกภาพถึงแผ่นบางที่มีอิเล็กตรอน

If a strong enough magnetic field passes through them,

ถ้ามันแข็งแรงพอ สนามแม่เหล็กจะทะลุผ่าน

each electron will start traveling in a circle,

และอิเล็กตรอนแต่ละตัว จะเริ่มเคลื่อนที่เป็นวงกลม

which is called a closed orbit.

ซึ่งเรียกว่าการโคจรแบบปิด

Because the electrons are stuck in these loops,

เพราะว่าอิเล็กตรอนจะวนเป็นวง

they're not conducting electricity.

พวกมันไม่นำไฟฟ้า

But at the edge of the material,

แต่ที่ขอบของวัสดุ

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

วงโคจรจะเปิด เชื่อมต่อกัน และพวกมันจะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน

So electrons can jump from one orbit to the next

ดังนั้นอิเล็กตรอนสามารถข้ามจากวงโคจรหนึ่ง ไปยังอีกวงหนึ่งได้

and travel all the way around the edge.

และสามารถเดินทางไปรอบๆ ขอบได้

This means that the material conducts electricity around the edge

ซึ่งหมายความว่าวัสดุนำไฟฟ้าที่ขอบ

but not in the middle.

แต่ไม่ใช่ตรงกลาง

Here's where topology comes in.

นี่คือจุดที่ทอพอโลจีเข้ามาเกี่ยวข้อง

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

การนำไฟฟ้าไม่มีผล จากการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในวัสดุ

like impurities or imperfections.

เทียบกับความไม่บริสุทธิ์ หรือความบกพร่อง

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

ซึ่งเหมือนกับรูในถ้วยกาแฟ

isn't changed by stretching it out.

ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้จากการยืดหด

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

ที่ขอบของฉนวนทอพอโลยี มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ดีเยี่ยม

no electrons travel backward,

ไม่มีอิเล็กตรอนตัวไหนเคลื่อนที่กลับหลัง

no energy is lost as heat,

ไม่มีการเสียพลังงานไปเป็นความร้อน

and the number of conducting pathways can even be controlled.

และยังสามารถควบคุม จำนวนของเส้นทางนำไฟฟ้าได้อีกด้วย

The electronics of the future could be built

สามารถสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าในอนาคต

to use this perfectly efficient electron highway.

เพื่อประยุกต์ใช้ เส้นทางอิเล็กตรอนนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

The topological properties of subatomic particles

สมบัติทอพอโลจีของอนุภาคย่อยของอะตอม

could also transform quantum computing.

สามารถพลิกโฉมการคำนวณทางควอนตัมได้

Quantum computers take advantage of the fact

ควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้ได้

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

ที่ว่าอนุภาคอะตอมย่อยสามารถอยู่ ในสถานะที่ต่างกันได้ในเวลาเดียวกัน

to store information in something called qubits.

เพื่อเก็บข้อมูลในสิ่งที่เรียกว่า คิวบิต

These qubits can solve problems exponentially faster

คิวบิตเหล่านี้ สามารถแก้ปัญหาได้อย่างรวดเร็ว

than classical digital computers.

มากกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วๆไป

The problem is that this data is so delicate

ปัญหาที่ว่าข้อมูลนี้มีความละเอียดอ่อนมาก

that interaction with the environment can destroy it.

ที่ปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อม สามารถทำลายมันได้

But in some exotic topological phases,

แต่ในบางเฟสมอพอโลยีที่มาใหม่บางเฟสนี้

the subatomic particles can become protected.

อนุภาคย่อยของอะตอมได้รับการปกป้อง

In other words, the qubits formed by them

ในอีกนัยหนึ่งคือคิวบิตก่อตัวขึ้นจากพวกมัน

can't be changed by small or local disturbances.

ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงจากการรบกวน เพียงเล็กน้อยหรือเฉพาะแห่ง

These topological qubits would be more stable,

คิวบิตทอพอโลจีเหล่านี้จะเสถียรมากขึ้น

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

นำไปสู่การคำนวณที่แม่นยำ และควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ดีกว่าเดิม

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

แต่เดิมทอโลจีเป็นแขนงหนึ่ง ของคณิตศาสตร์ทางทฤษฎี

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

ด้วยงานริเริ่มของ เธาเลส ฮัลเดน และคอสเตอร์ลิตซ์

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

พวกเราทราบกันแล้วว่ามันสามารถนำมาใช้ เพื่อทำความเข้าใจปริศนาของธรรมชาติ

and to revolutionize the future of technologies.

และเพื่อปฏิวัติเทคโนโลยีในอนาคต