Topologiske defekter i flydende krystaller er matematisk analoge med kvantebits, har forskere i USA vist teoretisk. Hvis et system baseret på dette princip kunne implementeres i praksis, ville mange af fordelene ved kvantecomputere kunne realiseres i et klassisk kredsløb – man undgår de betydelige udfordringer, som dem, der forsøger at udvikle praktiske kvantecomputere, står over for.
Nematiske flydende krystaller er stavformede molekyler, der har tendens til at stille op med hinanden, og hvis justering kan manipuleres af elektriske felter. De bruges i displaysystemer, der findes bredt i mobiltelefoner, ure og andre elektroniske gadgets. Topologiske defekter forekommer i nematiske flydende krystaller, hvor justeringen ændres. Ligheden mellem disse systemer og kvanteverdenen har været kendt i nogen tid. I 1991, Pierre-Gilles de Gennes vandt Nobelprisen i fysik for sin erkendelse af, at superledernes fysik også kunne anvendes på defekter i flydende krystaller.
Nu, anvendte matematikere Žiga Kos og Jørn Dunkel fra Massachusetts Institute of Technology har set på, om nematiske flydende krystaller kunne vise sig nyttige som en ny computerplatform.
Højere dimensionelt tilstandsrum
"Vi kender og bruger alle digitale computere, og i meget lang tid ved, at folk har talt om alternative strategier som væskebaserede computere eller kvantesystemer, der har et højere dimensionelt tilstandsrum, så du kan gemme mere information," siger Dunkel. "Men så er der spørgsmålet om, hvordan man får adgang til det, og hvordan man manipulerer det."
Google og IBM har produceret kvantecomputere ved hjælp af superledende kvantebits (qubits), som har brug for kryogene temperaturer for at forhindre dekohærens, hvorimod Honeywell og IonQ har brugt fangede ioner, som kræver ultrastabile lasere til at udføre gate-operationer mellem ioner i elektriske fælder. Begge har gjort bemærkelsesværdige fremskridt, og andre protokoller såsom neutrale atom-qubits er på tidligere udviklingsstadier. Alle disse anvender imidlertid højt specialiserede, delikate protokoller, der ikke er implementeret i flydende krystalsystemer.
I deres nye arbejde demonstrerer forskerne, at selvom fysikken er anderledes, kan man trække en matematisk analogi mellem adfærden af en topologisk defekt i en flydende krystal og adfærden af en qubit. Det er derfor teoretisk muligt at behandle disse "n-bits" (nematiske bits), som forskerne har kaldt dem, som om de var qubits - og at bruge dem til at udføre kvanteberegningsalgoritmer, selvom den faktiske fysik, der styrer deres adfærd, kan forklares klassisk.
Ud over klassisk databehandling
Eller det er i hvert fald planen. Forskerne demonstrerede, at enkelte n-bits burde opføre sig nøjagtigt som enkelte qubits, og derfor var enkelte n-bit-gates teoretisk ækvivalente med enkelte qubit-gates: "Der er andre porte i kvanteberegning, der opererer på flere qubits," forklarer Dunkel, " og disse er nødvendige for universel kvanteberegning. Det er noget, vi ikke har i øjeblikket til flydende krystal-porte." Ikke desto mindre, siger Dunkel, "kan vi gøre ting, der går ud over klassisk databehandling."
Forskerne fortsætter deres teoretiske arbejde i håbet om at få en bedre forståelse af den matematiske kortlægning mellem flere qubits og flere n-bits for at fastslå, hvor tæt analogien egentlig er. De arbejder også med bløde stoffysikere, der forsøger at skabe portene i laboratoriet. "Vi håber, det vil ske i løbet af de næste et eller to år," siger Dunkel.
Dunkel og Kos beskriver deres undersøgelse i et papir i Science Forskud. Teoretisk og beregningsfysiker Daniel Beller fra Johns Hopkins University i USA er forsigtigt imponeret: "Jeg kan virkelig godt lide dette papir," siger han; "Jeg tror, det er potentielt meget vigtigt." Han bemærker de påstande, der er blevet fremført for kvantecomputeres evner til at køre algoritmer ved at bruge alt for mange ressourcer eller alt for længe til at gøre dem mulige på en klassisk computer, og siger, at "dette arbejde foreslår, at disse koncepter kan være testbare og de beregningsmæssige speedups, der kan opnås i et system, der ikke er afhængig af meget kolde temperaturer eller forhindrer kvantedekohærens”. Han tilføjer "det er en fantastisk teoretisk og beregningsmæssig demonstration, der, fordi fysik i grunden er en eksperimentel videnskab, derefter bør kontrolleres ved eksperiment." Han advarer for eksempel om, at realisering af nogle af de antagelser, der er brugt i modellen, såsom at defekterne forbliver stille, mens den flydende krystal flyder rundt om dem, vil kræve "nogle designovervejelser i eksperimenterne".
