أظهر باحثون في الولايات المتحدة نظريًا أن العيوب الطوبولوجية في البلورات السائلة مشابهة رياضيًا للبتات الكمومية. إذا كان من الممكن تطبيق نظام قائم على هذا المبدأ في الممارسة العملية ، فيمكن تحقيق العديد من مزايا أجهزة الكمبيوتر الكمومية في دائرة كلاسيكية - لتجنب التحديات الكبيرة التي تواجه أولئك الذين يحاولون تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية عملية.
البلورات السائلة Nematic عبارة عن جزيئات على شكل قضيب تميل إلى الاصطفاف مع بعضها البعض ويمكن التلاعب بمحاذاةها بواسطة الحقول الكهربائية. يتم استخدامها في أنظمة العرض الموجودة على نطاق واسع في الهواتف المحمولة والساعات والأدوات الإلكترونية الأخرى. تحدث عيوب طوبولوجية في البلورات السائلة الخيطية حيث يتغير المحاذاة. إن تشابه هذه الأنظمة مع العالم الكمي معروف منذ بعض الوقت. في عام 1991 ، بيير جيل دو جين حصل على جائزة نوبل في الفيزياء لإدراكه أن فيزياء الموصلات الفائقة يمكن أيضًا تطبيقها على عيوب البلورات السائلة.
الآن ، علماء الرياضيات التطبيقية Žiga Kos and يورن دانكل من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، درس ما إذا كانت البلورات السائلة النيماتيكية مفيدة كمنصة حوسبة جديدة.
مساحة دولة ذات أبعاد أعلى
يقول دنكل: "نعلم جميعًا أجهزة الكمبيوتر الرقمية ونستخدمها ، ولفترة طويلة جدًا ، كان الناس يتحدثون عن استراتيجيات بديلة مثل أجهزة الكمبيوتر القائمة على السوائل أو الأنظمة الكمومية التي تحتوي على مساحة حالة ذات أبعاد أعلى حتى تتمكن من تخزين المزيد من المعلومات". "ولكن بعد ذلك هناك مسألة كيفية الوصول إليها وكيفية التلاعب بها."
أنتجت Google و IBM أجهزة كمبيوتر كمومية باستخدام وحدات بت الكم فائقة التوصيل (كيوبت) ، والتي تحتاج إلى درجات حرارة مبردة لمنع فك الترابط ، في حين استخدمت شركة Honeywell و IonQ الأيونات المحاصرة ، والتي تتطلب ليزرًا فائق الاستقرار لإجراء عمليات البوابة بين الأيونات في الفخاخ الكهربائية. كلاهما حقق تقدمًا ملحوظًا ، والبروتوكولات الأخرى مثل كيوبت الذرة المحايدة في مراحل مبكرة من التطوير. ومع ذلك ، فإن كل هذه البروتوكولات تستخدم بروتوكولات دقيقة ومتخصصة للغاية لا يتم تنفيذها في أنظمة البلورات السائلة.
أظهر الباحثون في عملهم الجديد أنه على الرغم من اختلاف الفيزياء ، يمكن للمرء رسم تشابه رياضي بين سلوك الخلل الطوبولوجي في البلورة السائلة وسلوك الكيوبت. لذلك من الممكن نظريًا معالجة هذه "البتات النيماتيكية" (nematic bits) ، كما أطلق عليها الباحثون ، كما لو كانت كيوبتات - واستخدامها لتنفيذ خوارزميات الحوسبة الكمومية ، على الرغم من أن الفيزياء الفعلية التي تحكم سلوكهم يمكن يمكن شرحه بشكل كلاسيكي.
ما وراء الحوسبة الكلاسيكية
أو على الأقل هذه هي الخطة. أوضح الباحثون أن n-bits المفردة يجب أن تتصرف تمامًا مثل الكيوبتات المفردة ، وبالتالي فإن بوابات n-bit المفردة كانت مكافئة نظريًا لبوابات الكيوبت المفردة: "هناك بوابات أخرى في الحوسبة الكمومية تعمل على كيوبتات متعددة" ، يوضح دانكل ، " وهذه ضرورية للحوسبة الكمومية الشاملة. هذا شيء لا نملكه في الوقت الحالي بالنسبة لبوابات الكريستال السائل ". ومع ذلك ، يقول دنكل ، "يمكننا القيام بأشياء تتجاوز الحوسبة التقليدية."
يواصل الباحثون عملهم النظري على أمل اكتساب فهم أفضل لرسم الخرائط الرياضية بين الكيوبتات المتعددة و n-bits المتعددة للتأكد من مدى قرب هذا التناظر. كما أنهم يعملون مع علماء فيزياء المادة الناعمة الذين يحاولون إنشاء البوابات في المختبر. يقول دنكل: "نأمل أن يحدث ذلك خلال العام أو العامين القادمين".
يصف Dunkel و Kos دراستهم في مقال بلغة علم السلف. عالم فيزياء نظرية وحاسوبية دانيال بيلر من جامعة جونز هوبكنز في الولايات المتحدة أعجب بحذر: "أنا أحب هذه الورقة حقًا" ، على حد قوله ؛ "أعتقد أنه من المحتمل أن يكون مهمًا للغاية." ويشير إلى الادعاءات التي تم تطويرها فيما يتعلق بقدرات أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتشغيل الخوارزميات باستخدام الكثير جدًا من الموارد أو لفترة طويلة جدًا لجعلها ممكنة على جهاز كمبيوتر كلاسيكي ، ويقول إن هذا العمل يقترح أن هذه المفاهيم قد تكون قابلة للاختبار وتلك المفاهيمية تسريع يمكن تحقيقه في نظام لا يعتمد على درجات حرارة شديدة البرودة أو يمنع فك الترابط الكمي ". ويضيف: "إنه عرض نظري وحاسوبي رائع ، لأن الفيزياء في جوهرها علم تجريبي ، يجب التحقق منها بعد ذلك عن طريق التجربة". وهو يحذر ، على سبيل المثال ، من أن إدراك بعض الافتراضات المستخدمة في النموذج ، مثل بقاء العيوب ثابتة بينما يتدفق الكريستال السائل حولها ، سيتطلب "بعض اعتبارات التصميم في التجارب".
