Los científicos británicos Michael Kosterlitz, David Thouless y Duncan Haldane recibieron el Premio Nobel de Física "por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia". Las palabras "descubrimientos teóricos" plantean dudas de que su trabajo tenga alguna aplicación práctica o pueda influir en nuestras vidas en el futuro. Pero todo puede resultar todo lo contrario.
Para comprender el potencial de este descubrimiento, será útil comprender la teoría. La mayoría de la gente sabe que hay un núcleo dentro de un átomo y que los electrones giran alrededor de él. Esto corresponde a diferentes niveles de energía. Cuando los átomos se agrupan y crean algún tipo de materia, todos los niveles de energía de cada átomo se combinan para crear zonas de electrones. Cada llamada banda de energía de electrones tiene espacio para un cierto número de electrones. Y entre cada zona hay espacios en los que los electrones no pueden moverse.
Si se aplica una carga eléctrica (una corriente de electrones adicionales) a un material, su conductividad está determinada por si la zona de electrones con más energía tiene espacio para nuevos electrones. Si es así, el material se comportará como conductor. De lo contrario, se necesita energía adicional para impulsar el flujo de electrones hacia una nueva zona vacía. Como resultado, este material se comportará como un aislante. La conductividad es fundamental para la electrónica porque componentes como conductores, semiconductores y dieléctricos son el núcleo de sus productos.
Las predicciones de Kosterlitz, Thouless y Haldane en las décadas de 1970 y 1980 son que algunos materiales no obedecen esta regla. Algunos otros teóricos también apoyan su punto de vista. Sugirieron que en lugar de los espacios entre las zonas de electrones, donde no pueden estar, hay un nivel de energía especial en el que son posibles cosas diferentes y muy inesperadas.
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Esta propiedad solo existe en la superficie y en los bordes de dichos materiales y es extremadamente robusta. Hasta cierto punto, también depende de la forma del material. En física, esto se llama topología. En un material en forma de esfera o, por ejemplo, un huevo, estas propiedades o características son idénticas, pero en un donut se diferencian por un agujero en el medio. Las primeras mediciones de tales características fueron realizadas por la corriente a lo largo del límite de la hoja plana.
Las propiedades de tales materiales topológicos pueden ser de gran utilidad. Por ejemplo, una corriente eléctrica puede fluir por su superficie sin ninguna resistencia, incluso cuando el dispositivo está ligeramente dañado. Los superconductores hacen esto incluso sin propiedades topológicas, pero solo pueden funcionar a temperaturas muy bajas. Es decir, una gran cantidad de energía solo se puede utilizar en un conductor refrigerado. Los materiales topológicos pueden hacer lo mismo a temperaturas más altas.
Esto tiene importantes implicaciones para el trabajo asistido por computadora. La mayor parte de la energía que consumen las computadoras hoy en día va a los ventiladores para reducir las temperaturas causadas por la resistencia en los circuitos. Al eliminar este problema de calefacción, las computadoras pueden ser mucho más eficientes energéticamente. Por ejemplo, esto conducirá a una reducción significativa de las emisiones de carbono. Además, será posible fabricar baterías con una vida útil mucho más larga. Los científicos ya han comenzado experimentos con materiales topológicos como el telururo de cadmio y el telururo de mercurio para poner la teoría en práctica.
Además, son posibles grandes avances en la computación cuántica. Las computadoras clásicas codifican datos aplicando voltaje al microcircuito o no. En consecuencia, la computadora interpreta esto como 0 o 1 para cada bit de información. Al juntar estos bits, creamos datos más complejos. Así es como funciona un sistema binario.
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Cuando se trata de computación cuántica, entregamos información a los electrones, no a los microcircuitos. Los niveles de energía de tales electrones corresponden a ceros o unos como en las computadoras clásicas, pero en la mecánica cuántica esto es posible simultáneamente. Sin entrar en demasiada teoría, digamos que esto le da a las computadoras la capacidad de procesar grandes cantidades de datos en paralelo, haciéndolos mucho más rápidos.
Empresas como Google e IBM están realizando investigaciones para intentar descubrir cómo utilizar la manipulación de electrones para crear computadoras cuánticas que son mucho más poderosas que las computadoras clásicas. Pero hay un gran obstáculo en el camino. Estos equipos están mal protegidos de la "interferencia de ruido" circundante. Si una computadora clásica es capaz de hacer frente al ruido, entonces una computadora cuántica puede producir una gran variedad de errores debido a marcos inestables, campos eléctricos aleatorios o moléculas de aire que ingresan al procesador incluso cuando se mantienen en el vacío. Esta es la razón principal por la que todavía no usamos computadoras cuánticas en nuestra vida diaria.
Una posible solución es almacenar información no en uno, sino en varios electrones, ya que la interferencia suele afectar a los procesadores cuánticos a nivel de partículas individuales. Suponga que tenemos cinco electrones que almacenan colectivamente el mismo bit de información. Por lo tanto, si se almacena correctamente en la mayoría de los electrones, la interferencia que afecte a un solo electrón no estropeará todo el sistema.
Los científicos están experimentando con esta llamada votación por mayoría, pero la ingeniería topológica puede ofrecer una solución más sencilla. Así como los superconductores topológicos pueden conducir el flujo de electricidad lo suficientemente bien como para que la resistencia no interfiera, las computadoras cuánticas topológicas pueden ser lo suficientemente robustas e inmunes a las interferencias. Esto podría contribuir en gran medida a hacer realidad la computación cuántica. Los científicos estadounidenses están trabajando activamente en esto.
Futuro
Los científicos pueden tardar de 10 a 30 años en aprender a manipular los electrones lo suficientemente bien como para que la computación cuántica sea posible. Pero ya están surgiendo oportunidades bastante interesantes. Por ejemplo, tales computadoras pueden simular la formación de moléculas, lo cual es un desafío cuantitativo para las computadoras tradicionales de hoy. Esto tiene el potencial de revolucionar la producción de fármacos, ya que podremos predecir lo que sucederá en el cuerpo durante los procesos químicos.
He aquí otro ejemplo. Una computadora cuántica puede convertir la inteligencia artificial en realidad. Las máquinas cuánticas son mejores para aprender que las computadoras clásicas. Esto se debe en parte al hecho de que se pueden incorporar algoritmos mucho más inteligentes. La solución al misterio de la inteligencia artificial se convertirá en un cambio cualitativo en la existencia de la humanidad; sin embargo, no se sabe, para bien o para mal.
En resumen, las predicciones de Kosterlitz, Thouless y Haldane podrían revolucionar la tecnología informática en el siglo XXI. Si el comité del Nobel ha reconocido la importancia de su trabajo hoy, seguramente se lo agradeceremos durante muchos años.
