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

Çeviri: Miraç Şendil Gözden geçirme: Can Boysan

What if electricity could travel forever without being diminished?

Ya elektrik sonsuza kadar kesilmeden durabilseydi?

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

Ya bir bilgisayar mükemmel bir ihtimamla katlanarak daha hızlı çalışabilseydi?

What technology could those abilities build?

Bu güçler hangi teknolojiyi geliştirebilir?

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

2016'da Fizik dalında Nobel ödülü kazanmış üç fizikçi sayesinde

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

bu soruya cevap verebiliriz.

David Thouless,

David Thouless,

Duncan Haldane,

Duncan Haldane

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

ve Michael Kosterlitz

that even microscopic matter at the smallest scale

en küçük ölçekte mikroskobik maddenin bile

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

topolojik olan makroskopik özellikler ve fazlar sergileyebileceğini keşfettiler.

But what does that mean?

Peki bu ne anlama geliyor?

First of all, topology is a branch of mathematics

İlk olarak, topoloji matematiğin bir dalıdır

that focuses on fundamental properties of objects.

ve nesnelerin temel özelliklerine odaklanır.

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

Topolojik özellikler, bir nesne büküldüğünde

veya gerildiğinde gitgide değişmez.

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

Nesnenin parçalanması veya yeni yerlere takılması gerekir.

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

Bir topoloji uzmanına göre donat ile kahve bardağının farkı yoktur

because they both have one hole.

çünkü ikisinde de bir delik vardır.

You could reshape a donut into a coffee cup

Bir donatı kahve bardağına çevirebilirsiniz

and it would still have just one.

yine de bir deliği olacaktır.

That topological property is stable.

Bu topolojik özellik sabittir.

On the other hand, a pretzel has three holes.

Öte yandan, bir çubuk krakerin üç deliği vardır.

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

Donatı krakere çevirebilecek kademeli bir değişken yoktur.

You'd have to tear two new holes.

İki yeni delik açmanız gerekir.

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

Uzun bir süre, topolojinin atomaltı parçacıkların davranışlarını

for describing the behaviors of subatomic particles.

tanımlamak için yararlı olup olmadığı net değildi.

That's because particles, like electrons and photons,

Çünkü elektronlar ve fotonlar gibi parçacıklar da,

are subject to the strange laws of quantum physics,

kahve fincanları ölçeğinde görmediğimiz

which involve a great deal of uncertainty

çok fazla belirsizlik içeren

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

tuhaf kuantum fiziği yasalarına tabidir.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

Fakat nobel kazananları, topolojik özelliklerin kuantum seviyesinde

do exist at the quantum level.

var olduğunu keşfetti.

And that discovery may revolutionize materials science,

Bu keşif, materyal bilimini,

electronic engineering,

elektronik mühendisliğini

and computer science.

ve bilgisayar bilimini kökten değiştirebilir.

That's because these properties lend surprising stability

Çünkü bu özellikler, hassas kuantum dünyasındaki maddenin

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

bazı egzotik aşamalarına

in the delicate quantum world.

şaşırtıcı bir istikrar ve dikkat çekici özellikler katmaktadır.

One example is called a topological insulator.

Örnek olarak topolojik yalıtkan verilebilir.

Imagine a film of electrons.

Bir elektron tabakası hayal edin.

If a strong enough magnetic field passes through them,

İçlerinden yeterince güçlü bir manyetik alan geçerse

each electron will start traveling in a circle,

her elektron kapalı bir yörünge adı verilen

which is called a closed orbit.

bir daire içinde hareket etmeye başlayacaktır.

Because the electrons are stuck in these loops,

Çünkü elektronlar bu döngü içinde takılı kalmış,

they're not conducting electricity.

elektrik toplamıyorlar.

But at the edge of the material,

Ancak materyalin ucunda yörünge açılır,

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

bağlanır ve hepsi aynı yöne işaret eder.

So electrons can jump from one orbit to the next

Böylece elektronlar, yörüngeler arası dolaşarak

and travel all the way around the edge.

tüm uçlardan hareket edebilir.

This means that the material conducts electricity around the edge

Bu, malzemenin, elektriği ortada değil,

but not in the middle.

kenarda ilettiği anlamına gelir.

Here's where topology comes in.

Topoloji de burada devreye giriyor.

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

Bu iletkenlik, safsızlıklar veya kusurlar gibi

like impurities or imperfections.

malzemedeki küçük değişikliklerden etkilenmez.

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

Bu durum, tıpkı kahve bardağını esnetince

isn't changed by stretching it out.

değişmeyen delik gibi.

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

Böyle bir topolojik yalıtkanın kenarları mükemmel elektron taşınımına sahiptir,

no electrons travel backward,

hiçbir elektron geriye doğru hareket etmez,

no energy is lost as heat,

ısı olarak enerji kaybı olmaz

and the number of conducting pathways can even be controlled.

ve iletken yolların sayısı bile kontrol edilebilir.

The electronics of the future could be built

Gelecekteki elektrikli araçlar,

to use this perfectly efficient electron highway.

fazlasıyla verimli bu elektron otoyolunu kullanmak için inşa edilebilir.

The topological properties of subatomic particles

Atomaltı parçacıkların topolojik özellikleri

could also transform quantum computing.

kuantum hesaplamayı da evrimleştirebilir.

Quantum computers take advantage of the fact

Kuantum bilgisayarlar,

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

atomaltı parçacıkların kübit denilen bir şeyde bilgi depolamak için

to store information in something called qubits.

aynı zamanda farklı durumlarda olabilmesinden yararlanır.

These qubits can solve problems exponentially faster

Bu kübitler, problemleri klasik dijital bilgisayarlardan

than classical digital computers.

daha hızlı çözebilir.

The problem is that this data is so delicate

Sorun ise şu: bu veriler öyle hassastır ki

that interaction with the environment can destroy it.

çevreyle etkileşim sonucu yok olabilirler.

But in some exotic topological phases,

Ancak bazı yabancı topolojik aşamalarda,

the subatomic particles can become protected.

atom altı parçacıklar korunabilir.

In other words, the qubits formed by them

Başka bir deyişle, onların oluşturduğu kübitler,

can't be changed by small or local disturbances.

küçük veya yerel bozukluklarla değiştirilemez.

These topological qubits would be more stable,

Bu topolojik kübitler, daha doğru hesaplamaya

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

ve daha iyi bir kuantum bilgisayara yol açarak değişmez hale gelecek.

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

Topoloji aslında tamamen soyut matematiğin bir dalı olarak incelenmiştir.

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

Thouless, Haldane ve Kosterlitz'in öncü çalışmaları sayesinde

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

artık doğanın bilmecelerini çözmek ve teknolojilerin geleceğinde

and to revolutionize the future of technologies.

devrim yapmak için topolojinin kullanılabileceğini biliyoruz.