拓?fù)鋵W(xué)與物理學(xué)結(jié)合,量子計算機(jī)正在成為現(xiàn)實
拓?fù)湮锢韺W(xué)將會打開量子計算的大門。
伴隨著網(wǎng)絡(luò)和材料學(xué)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,無論是在宏觀還是在微觀領(lǐng)域的研究上,拓?fù)鋵W(xué)的發(fā)展都是爆炸式的。尤其在材料物理學(xué)上,近十年來,拓?fù)鋵W(xué)已經(jīng)極大地應(yīng)用到相關(guān)研究上了。
拓?fù)?,它主要描述了?dāng)一個對象被拉伸、扭曲或變形時保持不變的屬性。從拓?fù)鋵用嬷v,一個球和一個碗屬于同一范疇,因為一個球形的粘土塊可以轉(zhuǎn)化成一個碗。
而當(dāng)拓?fù)湫再|(zhì)應(yīng)用到物理學(xué)的研究上時,即將該類研究稱為拓?fù)湮锢韺W(xué)。對此,在材料物理領(lǐng)域,目前有很多研究人員已經(jīng)開始預(yù)測,拓?fù)洳牧弦呀?jīng)可以被用來測試有關(guān)異質(zhì)和未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子,并且預(yù)測微觀的物理定律。該理論的真正價值應(yīng)該體現(xiàn)在幫助我們更深入地了解物質(zhì)的本質(zhì)。
普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家扎希德·哈桑(Zahid Hasan)說:“拓?fù)湮锢韺W(xué)中所描述的性質(zhì)應(yīng)該就存在我們周圍的任何一個事物中。甚至是一顆石子,也可能具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),只是我們沒有發(fā)現(xiàn)而已。”
據(jù)悉,亞原子粒子的一些最基本的性質(zhì)就是他們的核心部分是拓?fù)涞摹?/p>
比如電子會上下運動再翻轉(zhuǎn),經(jīng)過360度旋轉(zhuǎn),然后再次回到原處。對此,通常我們會認(rèn)為電子經(jīng)歷了旋轉(zhuǎn)和移動返回到原始狀態(tài),但有研究表明事實并非如此。
在拓?fù)鋵W(xué)打開的奇異的量子物理世界里,電子的運動可以被描述為波函數(shù)。以上段電子運動的例子來看,特定的自轉(zhuǎn)狀態(tài)可以用概率函數(shù)表示,360度旋轉(zhuǎn)實際上也就可以看作波函數(shù)相位的反轉(zhuǎn)。因此需要另外一個完整的360°轉(zhuǎn)彎才能使電子恢復(fù)到起始狀態(tài)。
上述的例子,類比來看,就像是莫比烏斯絲帶:給絲帶一個單一的扭曲,然后將其端部粘在一起而形成。在這條絲帶上,如果一只螞蟻爬上了這條路,它就會發(fā)現(xiàn)無論怎么走,都與開始的方向是相反的,它必須通過一條完全相反的絲帶,才能回到初始位置。
其實,這一現(xiàn)象,不僅可以類比解釋電子的運動,還可以解釋由量子波構(gòu)成的抽象幾何空間。在量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之初,當(dāng)材料放在不同強(qiáng)度的磁場中時,單原子厚度的晶體層中的電阻會出現(xiàn)離散的跳躍現(xiàn)象。
這里值得注意的是,即使溫度有波動、或晶體中出現(xiàn)雜質(zhì),其中的電阻都始終保持不變。對此,Hasan說:“這種穩(wěn)定性是聞所未聞的,它是物理學(xué)家現(xiàn)在渴望開發(fā)的拓?fù)錉顟B(tài)的關(guān)鍵特征之一。”
關(guān)于量子霍爾效應(yīng),在1982年,Thouless和他的同事揭開了該效應(yīng)的拓?fù)湫再|(zhì),最終Thouless于去年因拓?fù)溲芯揩@得了諾貝爾物理學(xué)獎。
目前,量子霍爾效應(yīng)和其他拓?fù)湫?yīng)僅能在存在強(qiáng)磁場的情況下才被看到。但現(xiàn)在有科學(xué)家團(tuán)隊發(fā)現(xiàn),一些由重元素組成的絕緣體可以通過電子和原子核之間的內(nèi)部相互作用來為自己提供磁場。這使得材料表面上的電子具有堅固的“拓?fù)浔Wo(hù)”狀態(tài),也使得它們能夠在沒有阻力的情況下流動。
這一發(fā)現(xiàn)是值得興奮的,不僅因為拓?fù)湫再|(zhì)本身的穩(wěn)定性很誘人,還因為在拓?fù)洳牧现?,電子和其他粒子的合成?gòu)造,有時會呈現(xiàn)它們“合二為一”時表現(xiàn)的狀態(tài),就像它們是一個基本粒子一樣。這些“粒子”狀態(tài)可能不存在任何已知基本粒子的屬性,但可以用于模仿物理學(xué)家尚未發(fā)現(xiàn)的粒子,如兩年前的準(zhǔn)粒子,被稱為Weyl費米子,這一粒子是早期數(shù)學(xué)家Hermann Weyl推測的。
關(guān)于量子計算,理論上,將彼此相臨的幾個粒子混合在一起,它們的量子態(tài)可以記住粒子的初態(tài)和改變狀態(tài)。隨后物理學(xué)家就可以用三維可視化這一過程,這樣就可以運用到量子計算中信號單元的量子位,從而實現(xiàn)量子態(tài)與計算機(jī)的結(jié)合。而這里,我們首先需要的就是利用拓?fù)湫再|(zhì)來保護(hù)量子不受外界噪聲的影響,因此此處尋找合適的粒子就變得格外的困難。
但目前,拓?fù)鋵ξ覀兇蟊妬碚f依然是個難以和應(yīng)用聯(lián)系在一起的詞。正如很多科學(xué)家所說,最驚人的發(fā)現(xiàn)尚未到來。對于該領(lǐng)域的研究,所有人都意識到仍需很長時間來才能有所進(jìn)展。
但現(xiàn)如今,還是有大量的研究團(tuán)隊和資金投入到拓?fù)湮锢韺W(xué)的研究和應(yīng)用上。2005年,微軟就開始對量子的研究進(jìn)行大量的投資,去年底,微軟聘請了來自學(xué)術(shù)界著名的實驗科學(xué)家進(jìn)行量子計算方面的研究。目前,正如Freedman所認(rèn)為的:誰先發(fā)現(xiàn)拓?fù)淞孔游坏聂敯粜裕ǚ€(wěn)定性),誰將打開進(jìn)入量子應(yīng)用最初的大門。
目前,科學(xué)家已經(jīng)越來越意識到該理論的重要性,拓?fù)淅碚撝诹孔佑嬎悖渲匾韵喈?dāng)于香農(nóng)理論之于通信。未來,研究人員希望可以將拓?fù)洳牧蠎?yīng)用到更快的計算機(jī)芯片的研究上,甚至是應(yīng)用在目前尚不敢想象的量子計算機(jī)上。
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