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

Translator: Nhi Ho Reviewer: Hung Tran Phi

Giả như dòng điện có thể truyền đi liên tục không bị ngắt quãng?

What if electricity could travel forever without being diminished?

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

Giả như tốc độ máy tính có thể tăng cấp số nhân với độ chính xác tuyệt đối?

What technology could those abilities build?

Những khả năng này có thể tạo dựng nên loại công nghệ nào?

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

Chúng ta sẽ có thể khám phá nhờ vào công trình của ba nhà khoa học

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

được trao giải Nobel Vật Lý vào năm 2016.

David Thouless,

David Thouless,

Duncan Haldane,

Duncan Haldane.

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

và Michael Kosterlitz được vinh danh nhờ phát hiện ra rằng

that even microscopic matter at the smallest scale

kể cả vật chất siêu vi ở tỉ lệ nhỏ nhất

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

cũng có thể biểu hiện các tính chất và giai đoạn vĩ mô có cấu trúc tô pô.

But what does that mean?

Nhưng đó nghĩa là gì?

First of all, topology is a branch of mathematics

Trước tiên, tô-pô là một nhánh của toán học

that focuses on fundamental properties of objects.

tập trung vào các tính chất cơ bản của vật chất.

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

Các tính chất tô-pô không thay đổi khi một vật dần được kéo giãn hay bẻ cong.

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

Vật thể đó phải được xé rách hay gắn liền ở những không gian mới.

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

Một cái bánh donut và một cốc cà phê trông giống nhau đối với một nhà tô-pô học

because they both have one hole.

vì chúng đều có một cái lỗ.

You could reshape a donut into a coffee cup

Bạn có thể biến hình dáng của bánh donut thành ly cà phê

and it would still have just one.

và nó cũng chỉ có một lỗ.

That topological property is stable.

Tính chất tô-pô đó ổn định.

On the other hand, a pretzel has three holes.

Mặt khác, một cái bánh quy xoắn có ba lỗ.

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

Không một sự thay đổi trơn tru nào có thể biến bánh donut thành quy xoắn.

You'd have to tear two new holes.

Bạn phải xé thêm hai lỗ mới.

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

Trong một quãng thời gian dài, ta không rõ rằng liệu tô-pô học có ích

for describing the behaviors of subatomic particles.

trong việc miêu tả những hành vi của các cấu trúc nhỏ hơn nguyên tử.

That's because particles, like electrons and photons,

Đó là vì các hạt cấu trúc, như electron và photon,

are subject to the strange laws of quantum physics,

chịu ảnh hưởng của những luật lệ vật lý lượng tử kì lạ,

which involve a great deal of uncertainty

bao gồm rất nhiều sự không chắc chắn

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

không thấy được ở tỉ lệ của những cốc cà phê.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

Nhưng các chủ nhân của giải Nobel khám phá ra rằng tính chất tô-pô

do exist at the quantum level.

vẫn hiện hữu ở mức độ lượng tử.

And that discovery may revolutionize materials science,

Và khám phá đó có thể là cuộc cách mạng khoa học về vật chất,

electronic engineering,

kĩ thuật điện tử,

and computer science.

và khoa học máy tính.

That's because these properties lend surprising stability

Đó là bởi vì những tính chất đó đảm bảo sự ổn định đáng ngạc nhiên

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

và các tính chất tuyệt vời ở một vài giai đoạn kì lạ của vật chất

in the delicate quantum world.

trong thế giới lượng tử mỏng manh.

One example is called a topological insulator.

Một ví dụ được gọi là chất cách ly tô-pô.

Imagine a film of electrons.

Hãy tưởng tượng một mảng các electron.

If a strong enough magnetic field passes through them,

Nếu cho một lực từ trường đủ mạnh chạy qua,

each electron will start traveling in a circle,

mỗi electron sẽ bắt đầu di chuyển theo hình tròn,

which is called a closed orbit.

được gọi là một quỹ đạo kín.

Because the electrons are stuck in these loops,

Vì bị kẹt trong những vòng này,

they're not conducting electricity.

chúng không thể tạo ra điện từ.

But at the edge of the material,

Nhưng ở rìa của mảng electron,

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

các quỹ đạo trở nên mở rộng, liên kết, và chỉ cùng một hướng.

So electrons can jump from one orbit to the next

Thế nên, các electron có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo kế

and travel all the way around the edge.

và di chuyển đến hết phần rìa.

This means that the material conducts electricity around the edge

Điều này có nghĩa là vật chất tạo nên dòng điện xung quanh phần rìa

but not in the middle.

không phải ở trung tâm.

Here's where topology comes in.

Đây là lúc tô-pô học được áp dụng.

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

Sự dẫn điện này không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi nhỏ của vật chất,

like impurities or imperfections.

như các tạp chất hoặc sự không hoàn hảo.

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

Nó giống như cái lỗ trong ly cà phê

isn't changed by stretching it out.

không thay đổi khi bị kéo giãn.

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

Phần rìa của chất cách ly tô-pô đó có sự dẫn điện hoàn hảo:

no electrons travel backward,

không có electron di chuyển ngược lại,

no energy is lost as heat,

không mất năng lượng dưới dạng nhiệt,

and the number of conducting pathways can even be controlled.

và số lượng các đường dẫn điện có thể được kiểm soát.

The electronics of the future could be built

Các thiết bị điện tử trong tương lai có thể được tạo ra

to use this perfectly efficient electron highway.

để tận dụng đường dẫn electron có hiệu suất hoàn hảo này.

Các tính chất tô-pô của những hạt cấu trúc nguyên tử

The topological properties of subatomic particles

could also transform quantum computing.

cũng có thể thay đổi cách tính toán lượng tử.

Quantum computers take advantage of the fact

Máy tính lượng tử tận dụng thực tế

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

rằng các hạt cấu tạo nguyên tử có thể, cùng lúc, ở nhiều trạng thái khác nhau

to store information in something called qubits.

để lưu trữ thông tin trong thứ gọi là qubit.

These qubits can solve problems exponentially faster

Những qubit này có thể giải quyết vấn đề nhanh hơn cấp số nhân

than classical digital computers.

so với máy tính điện tử thông thường.

The problem is that this data is so delicate

Vấn đề là thông tin này quá mỏng manh

that interaction with the environment can destroy it.

đến nỗi tương tác với môi trường có thể phá hủy nó.

But in some exotic topological phases,

Nhưng trong một vài thể tô-pô hiếm gặp,

the subatomic particles can become protected.

các hạt cấu tạo nguyên tử có thể được bảo vệ.

In other words, the qubits formed by them

Nói cách khác, các qubit tạo ra từ đó

can't be changed by small or local disturbances.

không thể bị thay đổi bởi các sự rối loạn nhỏ xung quanh.

These topological qubits would be more stable,

Những qubit tô-pô này sẽ trở nên ổn định hơn,

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

giúp tính toán chính xác hơn và tạo ra máy tính lượng tử tốt hơn.

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

Tô-pô được nghiên cứu đầu tiên như một nhánh của toán học trừu tượng thuần túy.

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

Nhờ công trình tiên phong của Thouless, Haldane, và Kosterlitz,

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

ta biết rằng nó có thể được sử dụng để giải các câu đố của tự nhiên

and to revolutionize the future of technologies.

và cách mạng hóa tương lai của công nghệ.