在过去，理论科学家主要依靠纸和铅笔来计算和理解自然现象。今天，理论家们广泛依赖功能强大的计算机来进行预测现象的计算，并处理包括预测天气和发现系外行星在内的大量数据集。
但是这种规模的计算需要大量的能量，今天的电子设备有时很难处理大量的信息。如果你用太多的传统处理器来加载执行计算功能所需的芯片，有些电脑就会崩溃。
现在，包括东北大学理论物理学家阿伦·班西尔在内的一个研究小组在化学元素铋中发现了一些新特性，它们可以有效地导电，并且可以防止超级计算机爆炸。Bansil发现了隐藏在量子世界中的铋的这些性质，他说这一发现将比20世纪60年代的互联网革命更加震撼现代科技。
班希尔说:“这一发现实际上是量子力学以一种全新的方式变得活跃起来。”
我们所知道的控制世界的大多数规则并不适用于量子尺度，宇宙中最小的尺度，在那里事物的行为非常奇怪。例如，在那里，一个粒子可以同时在两个地方，时间可以在一瞬间倒转。
阿伦班西尔，大学杰出的物理学教授，可视化狄拉克锥作为他的研究铋的性质的一部分。照片由Ruby Wallau/东北大学拍摄
“量子力学中如此多隐藏的方面正逐渐浮出水面，”班希尔说，他是一名大学杰出的物理学教授。
在与麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)和台湾中央研究院(Academia Sinica)的研究人员合作进行的一项研究中，班希尔利用计算机模型预测，铋具有拓扑绝缘体材料的标志性特征。拓扑绝缘体之所以得名，是因为它们能有效地在表面边缘移动电力。他说，这些品质在实验室中相对容易探索。
班希尔说:“这可能是通过建立新型材料模型来进行理论预测的最引人注目的成功案例之一。”
在携带电的固体材料中，电子往往会加速并随机散射，直到它们不再向任何特定方向传导能量。当散射发生时，电子与其他原子、物质杂质以及彼此碰撞，加热导电材料。但是拓扑绝缘体，比如铋的热量要低得多，因为它们在传导电子方面做得更好，散射也更小。
虽然用铋制成的晶体具有拓扑特征，但纯铋被认为是一种具有特别高导电性的普通金属晶体。
根据定义，晶体是物质的无限周期排列，保证有许多类型的对称性。这些结构保护了某些类型的性质，使用晶体的安排，移动电子快速和有效，就像使用铁路运输能源。
如果流过导体的电子就像乘坐老式蒸汽火车的乘客，那么在铋等拓扑绝缘体表面运动的电子就像乘坐子弹头列车的乘客。
量子信息系统将给计算带来革命性的变化……只要我们弄清楚如何制造它们。
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为了揭示铋优越的导电性，班西尔和他的同事们使用了数学中一个被称为拓扑的经典领域，这个领域关注的是事物的形状以及它们之间的关系。举个例子，拓扑学中的经典命题说——严格地从数学上讲——甜甜圈和咖啡杯是一回事。
甜甜圈和咖啡杯对拓扑学家来说是一样的，因为这两个物体有一个主要的共同特征:它们的洞。在那个世界里，足球将是一个完全不同的东西，因为它有零洞，所以它被认为有一个不同的拓扑状态。在拓扑学中，对象的健壮性决定了对象是否容易转换成另一种东西——比如在球上打一个洞，然后把它转换成咖啡杯、甜甜圈或任何只有一个洞的东西。从拓扑学的角度来说，一个状态很好的球是很难穿透的。
拓扑物理学家如Bansil应用鲁棒性的概念来描述具有更好导电性的材料。根据Bansil的计算，即使铋的形状稍微变形，它仍然具有很高的导电性。铋电子的结构和对称性保护了它不失去其优越的导电性，使其拓扑结构非常坚固。他说，这是一种独特的品质，将使生产速度更快的超级计算机和低功耗电子产品成为可能。
班西尔说:“铋比我们想象的还要丰富，我们认为我们现在已经确定了铋的所有拓扑特征。”“毫无疑问，拓扑材料将是正在进行的量子革命中非常关键的参与者之一。”
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