Os cientistas britânicos Michael Kosterlitz, David Thouless e Duncan Haldane receberam o Prêmio Nobel de Física "pelas descobertas teóricas de transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria". As palavras "descobertas teóricas" levantam dúvidas de que seu trabalho terá alguma aplicação prática ou poderá influenciar nossas vidas no futuro. Mas tudo pode acabar sendo exatamente o oposto.
Para compreender o potencial desta descoberta, será útil obter uma compreensão da teoria. A maioria das pessoas sabe que existe um núcleo dentro de um átomo e que os elétrons giram em torno dele. Isso corresponde a diferentes níveis de energia. Quando os átomos se agrupam e criam algum tipo de matéria, todos os níveis de energia de cada átomo se combinam para criar zonas de elétrons. Cada chamada banda de energia dos elétrons tem espaço para um certo número de elétrons. E entre cada zona existem lacunas nas quais os elétrons não podem se mover.
Se uma carga elétrica (um fluxo de elétrons adicionais) é aplicada a um material, sua condutividade é determinada se a zona de elétrons com mais energia tem espaço para novos elétrons. Nesse caso, o material se comportará como um condutor. Do contrário, é necessária energia extra para empurrar o fluxo de elétrons para uma nova zona vazia. Como resultado, este material se comportará como um isolante. A condutividade é crítica para a eletrônica porque componentes como condutores, semicondutores e dielétricos são a base de seus produtos.
As previsões de Kosterlitz, Thouless e Haldane nas décadas de 1970 e 1980 são de que algum material não obedece a essa regra. Alguns outros teóricos também apóiam seu ponto de vista. Eles sugeriram que, em vez dos intervalos entre as zonas de elétrons, onde eles não podem estar, há um nível de energia especial no qual coisas diferentes e muito inesperadas são possíveis.
Esta propriedade existe apenas na superfície e nas bordas desses materiais e é extremamente robusta. Até certo ponto, também depende da forma do material. Em física, isso é chamado de topologia. Em um material em forma de esfera ou, por exemplo, de um ovo, essas propriedades ou características são idênticas, mas em um donut elas diferem devido a um buraco no meio. As primeiras medições dessas características foram feitas pela corrente ao longo do limite da folha plana.
As propriedades de tais materiais topológicos podem ser extremamente úteis. Por exemplo, uma corrente elétrica pode fluir em sua superfície sem qualquer resistência, mesmo quando o dispositivo está ligeiramente danificado. Supercondutores fazem isso mesmo sem propriedades topológicas, mas eles só podem funcionar em temperaturas muito baixas. Ou seja, uma grande quantidade de energia só pode ser usada em um condutor resfriado. Os materiais topológicos podem fazer o mesmo em temperaturas mais altas.
Isso tem implicações importantes para o trabalho auxiliado por computador. A maior parte da energia consumida pelos computadores hoje vai para ventiladores para reduzir as temperaturas causadas pela resistência nos circuitos. Ao eliminar esse problema de aquecimento, os computadores podem se tornar muito mais eficientes em termos de energia. Por exemplo, isso levará a uma redução significativa nas emissões de carbono. Além disso, será possível fabricar baterias com uma vida útil muito mais longa. Os cientistas já começaram experimentos com materiais topológicos como telureto de cádmio e telureto de mercúrio para colocar a teoria em prática.
Além disso, grandes avanços na computação quântica são possíveis. Os computadores clássicos codificam dados aplicando ou não voltagem ao microcircuito. Conseqüentemente, o computador interpreta isso como 0 ou 1 para cada bit de informação. Ao colocar esses bits juntos, criamos dados mais complexos. É assim que funciona um sistema binário.
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Quando se trata de computação quântica, entregamos informações aos elétrons, não aos microcircuitos. Os níveis de energia de tais elétrons correspondem a zeros ou uns como nos computadores clássicos, mas na mecânica quântica isso é possível simultaneamente. Sem entrar em muita teoria, vamos apenas dizer que isso dá aos computadores a capacidade de processar grandes quantidades de dados em paralelo, tornando-os muito mais rápidos.
Empresas como Google e IBM estão fazendo pesquisas tentando descobrir como usar a manipulação de elétrons para criar computadores quânticos que são muito mais poderosos do que os computadores clássicos. Mas existe um grande obstáculo ao longo do caminho. Esses computadores são mal protegidos da "interferência de ruído" circundante. Se um computador clássico é capaz de lidar com o ruído, então um computador quântico pode produzir uma grande variedade de erros devido a quadros instáveis, campos elétricos aleatórios ou moléculas de ar que entram no processador mesmo quando mantidas no vácuo. Esta é a principal razão pela qual ainda não usamos computadores quânticos em nossa vida diária.
Uma solução possível é armazenar informações não em um, mas em vários elétrons, uma vez que a interferência geralmente afeta os processadores quânticos no nível de partículas individuais. Suponha que temos cinco elétrons que armazenam coletivamente o mesmo bit de informação. Portanto, se for armazenado corretamente na maioria dos elétrons, a interferência que afeta um único elétron não prejudicará todo o sistema.
Os cientistas estão fazendo experiências com essa chamada votação por maioria, mas a engenharia topológica pode oferecer uma solução mais fácil. Assim como os supercondutores topológicos podem conduzir o fluxo de eletricidade bem o suficiente para que a resistência não interfira nele, os computadores quânticos topológicos podem ser robustos o suficiente e imunes a interferências. Isso pode contribuir muito para tornar a computação quântica uma realidade. Cientistas americanos estão trabalhando ativamente nisso.
Futuro
Pode levar de 10 a 30 anos para os cientistas aprenderem como manipular elétrons bem o suficiente para que a computação quântica se torne possível. Mas oportunidades bastante interessantes já estão surgindo. Por exemplo, esses computadores podem simular a formação de moléculas, o que é quantitativamente desafiador para os computadores tradicionais de hoje. Isso tem o potencial de revolucionar a produção de medicamentos, pois seremos capazes de prever o que acontecerá no corpo durante os processos químicos.
Aqui está outro exemplo. Um computador quântico pode transformar inteligência artificial em realidade. As máquinas quânticas são melhores no aprendizado do que os computadores clássicos. Isso se deve em parte ao fato de que algoritmos muito mais inteligentes podem ser colocados neles. A solução para o mistério da inteligência artificial se tornará uma mudança qualitativa na existência da humanidade - porém, não se sabe, para melhor ou para pior.
Resumindo, as previsões de Kosterlitz, Thouless e Haldane poderiam revolucionar a tecnologia da computação no século 21. Se o comitê do Nobel reconheceu a importância de seu trabalho hoje, com certeza iremos agradecê-lo por muitos anos.
