Ilmuwan Inggris Michael Kosterlitz, David Thouless dan Duncan Haldane menerima Hadiah Nobel dalam Fisika "untuk penemuan teoretis transisi fase topologi dan fase topologi materi." Kata-kata "penemuan teoretis" menimbulkan keraguan bahwa pekerjaan mereka akan memiliki aplikasi praktis atau dapat mempengaruhi kehidupan kita di masa depan. Tetapi semuanya mungkin berubah menjadi sebaliknya.
Untuk memahami potensi dari penemuan ini, pemahaman tentang teori akan sangat membantu. Kebanyakan orang tahu bahwa ada inti di dalam atom, dan elektron berputar mengelilinginya. Ini sesuai dengan tingkat energi yang berbeda. Ketika atom mengelompokkan bersama dan menciptakan beberapa jenis materi, semua tingkat energi dari setiap atom bergabung untuk menciptakan zona elektron. Setiap pita energi elektron memiliki ruang untuk sejumlah elektron tertentu. Dan di antara setiap zona ada celah di mana elektron tidak bisa bergerak.
Jika muatan listrik (aliran elektron tambahan) diterapkan pada material, konduktivitasnya ditentukan oleh apakah zona elektron dengan energi paling banyak memiliki ruang untuk elektron baru. Jika demikian, material tersebut akan berperilaku sebagai konduktor. Jika tidak, diperlukan energi ekstra untuk mendorong aliran elektron ke zona kosong baru. Akibatnya material ini akan berperilaku seperti isolator. Konduktivitas sangat penting untuk elektronik karena komponen seperti konduktor, semikonduktor, dan dielektrik merupakan inti dari produknya.
Prediksi Kosterlitz, Thouless, dan Haldane pada tahun 1970-an dan 1980-an menunjukkan bahwa beberapa materi tidak mematuhi aturan ini. Beberapa ahli teori lain juga mendukung sudut pandang mereka. Mereka menyarankan bahwa alih-alih celah antara zona elektron, di mana mereka tidak bisa berada, ada tingkat energi khusus di mana hal-hal yang berbeda dan sangat tidak terduga menjadi mungkin.
Properti ini hanya ada di permukaan dan di tepi material tersebut dan sangat kuat. Sampai batas tertentu, itu juga tergantung pada bentuk materialnya. Dalam fisika, ini disebut topologi. Dalam bahan berbentuk bola atau, misalnya telur, sifat atau karakteristik ini identik, tetapi pada donat mereka berbeda karena ada lubang di tengahnya. Pengukuran pertama dari karakteristik tersebut dilakukan oleh arus di sepanjang batas lembaran datar.
Sifat-sifat bahan topologi seperti itu bisa sangat berguna. Misalnya, arus listrik dapat mengalir di permukaannya tanpa hambatan apa pun, meskipun perangkat rusak ringan. Superkonduktor melakukan ini bahkan tanpa sifat topologi, tetapi hanya dapat bekerja pada suhu yang sangat rendah. Artinya, sejumlah besar energi hanya dapat digunakan dalam konduktor yang didinginkan. Bahan topologi dapat melakukan hal yang sama pada suhu yang lebih tinggi.
Ini memiliki implikasi penting untuk pekerjaan dengan bantuan komputer. Sebagian besar energi yang dikonsumsi oleh komputer saat ini masuk ke kipas untuk mengurangi suhu yang disebabkan oleh hambatan di sirkuit. Dengan menghilangkan masalah pemanasan ini, komputer dapat dibuat jauh lebih hemat energi. Misalnya, ini akan menyebabkan penurunan emisi karbon yang signifikan. Selain itu, dimungkinkan untuk membuat baterai dengan masa pakai yang lebih lama. Para ilmuwan telah memulai eksperimen dengan bahan topologi seperti telurid kadmium dan telurida merkuri untuk mempraktikkan teori tersebut.
Selain itu, terobosan besar dalam komputasi kuantum dimungkinkan. Komputer klasik menyandikan data baik dengan memberikan tegangan ke sirkuit mikro atau tidak. Dengan demikian, komputer menafsirkan ini sebagai 0 atau 1 untuk setiap bit informasi. Dengan menyatukan bit-bit ini, kami membuat data yang lebih kompleks. Beginilah cara kerja sistem biner.
Video promosi:
Dalam hal komputasi kuantum, kami mengirimkan informasi ke elektron, bukan ke sirkuit mikro. Tingkat energi elektron semacam itu sesuai dengan nol atau satu seperti di komputer klasik, tetapi dalam mekanika kuantum hal ini dimungkinkan secara bersamaan. Tanpa membahas terlalu banyak teori, anggap saja ini memberi komputer kemampuan untuk memproses data dalam jumlah besar secara paralel, membuatnya lebih cepat.
Perusahaan seperti Google dan IBM sedang melakukan penelitian mencoba mencari cara untuk menggunakan manipulasi elektron untuk membuat komputer kuantum yang jauh lebih kuat daripada komputer klasik. Namun ada satu kendala utama di sepanjang jalan. Komputer semacam itu kurang terlindungi dari "gangguan kebisingan" di sekitarnya. Jika komputer klasik mampu mengatasi kebisingan, maka komputer kuantum dapat menghasilkan berbagai macam kesalahan karena bingkai yang tidak stabil, medan listrik acak, atau molekul udara yang masuk ke prosesor bahkan ketika disimpan dalam ruang hampa. Ini adalah alasan utama mengapa kami belum menggunakan komputer kuantum dalam kehidupan sehari-hari.
Salah satu solusi yang mungkin adalah menyimpan informasi tidak dalam satu, tetapi dalam beberapa elektron, karena interferensi biasanya mempengaruhi prosesor kuantum pada tingkat partikel individu. Misalkan kita memiliki lima elektron yang menyimpan bit informasi yang sama bersama-sama. Oleh karena itu, jika disimpan dengan benar di sebagian besar elektron, maka interferensi yang mempengaruhi satu elektron tidak akan merusak seluruh sistem.
Para ilmuwan sedang bereksperimen dengan apa yang disebut pemungutan suara mayoritas ini, tetapi teknik topologi mungkin menawarkan solusi yang lebih mudah. Sebagaimana superkonduktor topologi dapat menghantarkan aliran listrik dengan cukup baik sehingga resistansi tidak mengganggu, komputer kuantum topologi dapat cukup kuat dan kebal terhadap gangguan. Ini bisa sangat membantu mewujudkan komputasi kuantum menjadi kenyataan. Ilmuwan Amerika secara aktif mengerjakan ini.
Masa depan
Diperlukan waktu 10 hingga 30 tahun bagi para ilmuwan untuk mempelajari cara memanipulasi elektron dengan cukup baik agar komputasi kuantum menjadi mungkin. Tapi peluang yang cukup menarik sudah muncul. Misalnya, komputer semacam itu dapat mensimulasikan pembentukan molekul, yang secara kuantitatif menantang untuk komputer tradisional saat ini. Ini berpotensi merevolusi produksi obat, karena kita akan dapat memprediksi apa yang akan terjadi di dalam tubuh selama proses kimiawi.
Berikut contoh lainnya. Komputer kuantum dapat mengubah kecerdasan buatan menjadi kenyataan. Mesin kuantum lebih baik dalam belajar daripada komputer klasik. Ini sebagian disebabkan oleh fakta bahwa algoritma yang jauh lebih cerdas dapat diletakkan di dalamnya. Solusi untuk misteri kecerdasan buatan akan menjadi perubahan kualitatif dalam keberadaan umat manusia - namun, tidak diketahui, baik atau buruk.
Singkatnya, prediksi Kosterlitz, Thouless, dan Haldane bisa merevolusi teknologi komputer di abad ke-21. Jika panitia Nobel menyadari pentingnya pekerjaan mereka hari ini, maka kami pasti akan berterima kasih kepada mereka selama bertahun-tahun yang akan datang.
