פריצת דרך קוונטית: 1.58 ממדים פתחו יעילות אנרגטית אפס-אובדן

פרקטלים עשויים לפתור בזבוז אנרגיה בעיבוד מידע.

מבודדים טופולוגיים, המסוגלים להעביר חשמל ללא אובדן, עשויים לתפקד בממדים חלקיים כגון 1.58. פריצת דרך זו, בשילוב עם יכולת תפעול בטמפרטורת החדר, סוללת את הדרך להתקדמות בתחום מחשוב קוונטי ויעילות אנרגטית באמצעות מבנים פרקטליים.

מה אם נוכל למצוא דרך לגרום לזרמים חשמליים לזרום, ללא אובדן אנרגיה? גישה מבטיחה לכך כוללת שימוש בחומרים הידועים כמבודדים טופולוגיים. ידוע שהם קיימים בממד אחד (חוט), שני (סדין) ושלושה (קוביה); כולם עם יישומים אפשריים שונים במכשירים אלקטרוניים. פיזיקאים תיאורטיים באוניברסיטת אוטרכט, יחד עם ניסויים מאוניברסיטת שנגחאי ג'יאו טונג, גילו כי מבודדים טופולוגיים עשויים להתקיים גם ב-1.58 ממדים, וכי ניתן להשתמש בהם לעיבוד מידע יעיל באנרגיה. המחקר שלהם פורסם לאחרונה ב פיזיקת הטבע.

ביטים קלאסיים, יחידות פעולת המחשב, מבוססות על זרמים חשמליים: אלקטרונים פועלים פירושו 1, ללא הפעלת אלקטרונים פירושו 0. בשילוב של 0 ו-1, אפשר לבנות את כל המכשירים שבהם אתה משתמש בחיי היומיום שלך, מהטלפונים הסלולריים למחשבים. עם זאת, בזמן הריצה, אלקטרונים אלו פוגשים פגמים וזיהומים בחומר, ומאבדים אנרגיה. זה מה שקורה כשהמכשיר שלך מתחמם: האנרגיה מומרת לחום, וכך הסוללה שלך מתרוקנת מהר יותר.

מצב חדש של עניין

מבודדים טופולוגיים הם חומרים מיוחדים המאפשרים זרימת זרם ללא אובדן אנרגיה. הם התגלו רק בשנת 1980, ותגליתם זכה בפרס נובל. הוא חשף מצב חדש של חומר: מבפנים, מבודדים טופולוגיים מבודדים, בעוד שבגבולותיהם יש זרמים. זה הופך אותם למתאימים מאוד ליישום בטכנולוגיות קוונטיות ויכולים להפחית בצורה עצומה את צריכת האנרגיה העולמית. הייתה רק בעיה אחת: תכונות אלו התגלו רק בנוכחות שדות מגנטיים חזקים מאוד וטמפרטורות נמוכות מאוד, בסביבות מינוס 270 מעלות צֶלסִיוּסמה שהפך אותם לבלתי מתאימים לשימוש בחיי היומיום.

בעשורים האחרונים חלה התקדמות משמעותית כדי להתגבר על מגבלות אלו. בשנת 2017, חוקרים גילו כי דו-ממדי, חד-מימדיאָטוֹםשכבה עבה של ביסמוט הציגה את כל המאפיינים הנכונים בטמפרטורת החדר, ללא נוכחות של שדה מגנטי. התקדמות זו קירבה את השימוש במבודדים טופולוגיים במכשירים אלקטרוניים למציאות.

חקר ממדי פרקטלים בטכנולוגיה קוונטית

תחום המחקר קיבל דחיפה נוספת בשנת 2022 עם מענק גרביטציה של יותר מ-20 מיליון יורו עבור קונסורציום QuMAT. בקונסורציום זה, פיזיקאים תיאורטיים של אוניברסיטת אוטרכט, יחד עם ניסויים באוניברסיטת שנגחאי ג'יאו טונג, הראו כעת שמדינות רבות ללא אובדן אנרגיה עלולות להתקיים איפשהו בין מימד אחד לשני. ב-1.58 ממדים, למשל.

אולי קשה לדמיין 1.58 ממדים, אבל הרעיון מוכר יותר ממה שאתה חושב. ממדים כאלה ניתן למצוא במבנים פרקטליים, כמו הריאות שלך, רשת הנוירונים במוח שלך, או ברוקולי רומנסקו. הם מבנים שמתרחבים בצורה שונה מזו של עצמים רגילים, הנקראים "מבנים דומים לעצמם": אם תתקרב, תראה את אותו מבנה שוב ושוב.

חדשנות בקצה: ​​מצבים טופולוגיים פרקטלים

על ידי גידול יסוד כימי (ביסמוט) על גבי מוליך למחצה (אינדיום אנטימוניד), השיגו המדענים בסין מבנים פרקטליים שנוצרו באופן ספונטני, עם שינוי תנאי הגידול. המדענים באוטרכט הראו אז באופן תיאורטי שממבנים אלה, צצו מצבי פינה אפס-מימדיים ומצבי קצה חד-ממדיים חסרי אובדן.

"על ידי הסתכלות בין מימדים, מצאנו את הטוב משני עולמות", אומרת כריסטיאן מוראיס סמית', שהובילה את המחקר התיאורטי באוניברסיטת אוטרכט. "הפרקטלים מתנהגים כמו מבודדים טופולוגיים דו מימדיים באנרגיות סופיות ובו בזמן מציגים, באפס אנרגיה, מצב בפינותיו שיכול לשמש כקיוביט, אבני הבניין של מחשבים קוונטיים. לפיכך, התגלית פותחת נתיבים חדשים לקיוביטים המיוחלים".

כוחה של האינטואיציה בגילוי מדעי

מעניין שהגילוי היה תוצאה של תחושת בטן. "כשביקרתי באוניברסיטת שנגחאי ג'יאו טונג וראיתי את המבנים שהקבוצה מייצרת, התרגשתי מאוד", אומר מוראיס סמית'. "האינטואיציה שלי אמרה לי שהמבנים צריכים להציג את כל המאפיינים הנכונים."

לאחר מכן היא חזרה לאוטרכט ודנה בבעיה עם תלמידיה, שהיו מאוד מעוניינים לבצע את החישובים. יחד עם הסטודנט לתואר שני רוברט קנילס, המועמד לדוקטורט לשעבר שלה רודריגו ארוקה (כיום באוניברסיטת אופסלה), והמועמד הנוכחי לדוקטורט Lumen Eek, הצוות התיאורטי הצליח להסביר את הניסויים ולאשר את המאפיינים החדשים.

מימדים לא ידועים

במחקר המשך, קבוצת הניסויים בסין תנסה לגדל מוליך-על על גבי המבנה הפרקטלי. לפרקטלים הללו יש חורים רבים, וישנם זרמים ללא אובדן שמתרוצצים סביב רבים מהם. אלה יכולים לשמש לעיבוד יעיל באנרגיה של מידע.

המבנים מציגים גם מצבי אפס אנרגיה בפינותיהם, ובכך משלבים את המיטב מהעולמות החד-ממדיים והדו-מימדיים, על פי מוראיס סמית'. "אם זה יעבוד, זה עלול לחשוף עוד יותר סודות בלתי צפויים החבויים בממד 1.58", היא אומרת. "המאפיינים הטופולוגיים של פרקטלים באמת מראים את העושר של כניסה לממדים לא ידועים."