“好奇心总是驱使我去寻求一些物质在极端情况下是如何反应的答案，把普世的科学放在极端的条件下，往往会有惊人的发现。我花大量时间研究理论概念，概念是非常抽象的，但是概念是一切应用的基础。”这是曾经因为发现石墨烯而获得诺贝尔物理奖的康斯坦丁·诺沃肖洛夫在两周前对第一财经记者所说的一段话。

诺沃肖洛夫的信念昨天在三位英国科学家身上再次发出光芒。

诺贝尔物理学奖昨天授予David Thouless、Duncan Haldane和 Michael Kosterlitz三位科学家，他们因为发现“拓扑相变和拓扑物态理论”被授予这一科学界的最高荣誉。“物质在极端状态下会产生何种变化”再次成为研究的重点。他们的研究可能提升电子材料的性能，并且已经向超级计算机的研发成功迈进一步。

极端状态下的原子运动

试想如果物质在非常冷或者非常平的状态下，原子的运动会发生何种异常的变化？“拓扑物态理论”补充了人们所熟悉的普通的物态变化，比如物质如何从固体变为液体再变为气体。

所谓“拓扑”，是数学的一个分支，主要研究的是几何形状在连续形变中所不改变的性质。最经典的例子，比如一个没有洞的肉桂面包，有一个洞的百吉圈和有两个洞的扭结面包之间的变化。而“相变”就是物质在外界条件连续变化时，从一种“相”变成另一种“相”的过程，比如冰融化成水。

普林斯顿大学的Haldane教授是理论凝聚态物理学家，他表示：“这个研究工作很早以前就开始了，但是直到今天才有了重大的新发现，并且将理论得以延伸。我对此感到惊讶。”三位科学家是使用数学的方法来解释物质在罕见状态下所发生的物理变化，比如超导体、超流体和薄磁膜。

来自华盛顿大学的Thouless教授和布朗大学的Kosterlitz教授聚焦在超薄的二维介质，比如超薄膜的表面或者中间层。Haldane教授则更是聚焦于一维物质，这些都不同于人们通常定义的三维的物质。他们使用的大部分方法是“拓扑相变理论”。

传统的观点认为，超导或者超流不可能在中间层发生，但是Kosterlitz和Thouless推翻了它，他们证明了超导能在低温条件下发生，并阐明了机制，相变使得超导现象在高温条件下消失。

量子计算机迈进一大步

诺贝尔委员会认为，当今人们所使用的“前沿技术”，比如电脑，根本上是依赖于人们理解和掌控材料性质的能力。三位获奖的物理学家用他们的理论发现解释了非常态的物质变化，建立了“拓扑相变”的数学概念，这为将来新材料的设计提供了新的物质特性的理论基础，这将引领未来重大的技术发展。

其中一个重大的应用前景可能是量子计算机。剑桥大学教授Nigel Cooper表示：“科学家正在寻求拓扑相变的概念是否能够用于量子设备，来解决传统计算机和电路元素所无法解决的问题。它可能不会在你的iPhone里面，但是会存在于全世界的政府实验室。”

事实上，微软的量子计算机项目Station Q已经在用拓扑理论研发量子计算机。早在10年前，Station Q的创始人就发表过一篇论文，里面提到通过建立“分子量霍尔”系统，从中创造有拓扑保护性的量子比特。几年后，通过纳米线将实现量子计算的准粒子Majorana转化成有拓扑保护性的量子比特理论被提出。

“Station Q在量子计算机领域的研究一直都在进行。从拓扑相变的角度来看，可以给量子信息更强的抵御外界干扰的能力。”Cooper教授表示。他还说，拓扑金属能够用于导体和晶体管的制造。

华人科学家功不可没

中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心一名研究员对第一财经记者表示：“这次获奖的是一个很基础的理论，并不涉及具体的材料应用，不过建立在此基础上的材料，比如半导体，将会对未来的量子计算机有用。”他还表示，如果未来诺贝尔奖涉及到应用，那么获奖的很有可能是中国人。

这位研究员所说的中国人，是著名华裔物理学家、斯坦福大学教授张首晟。张首晟在十年前对拓扑绝缘体的研究做出过重要贡献。在拓扑绝缘体工作取得重大突破后，中国科学家做了很多重要工作，包括量子反常霍尔效应的实验发现和外尔半金属的发展，在拓扑材料的合成、基本性质表征以及物理效应发现等方面，中国物理学家已经处于国际的第一梯队。

不过，也许说张首晟与诺奖擦肩而过还为时过早。清华大学教授薛其坤院士表示：“这一领域再获诺贝尔奖的可能性仍然存在。”薛其坤的工作也验证了科学家们寻找百年的物理效应，同样堪称诺奖级工作。中科院物理所研究员翁红明则表示：“未来拓扑绝缘体如果能真正将量子霍尔效应应用起来，诺奖或许会再度光临拓扑领域。”