Topologische Defekte in Flüssigkristallen sind mathematisch analog zu Quantenbits, haben Forscher in den USA theoretisch gezeigt. Wenn ein auf diesem Prinzip basierendes System in die Praxis umgesetzt werden könnte, könnten viele der Vorteile von Quantencomputern in einer klassischen Schaltung realisiert werden – und die erheblichen Herausforderungen vermieden werden, denen sich diejenigen gegenübersehen, die versuchen, praktische Quantencomputer zu entwickeln.
Nematische Flüssigkristalle sind stäbchenförmige Moleküle, die dazu neigen, sich aneinander auszurichten, und deren Ausrichtung durch elektrische Felder manipuliert werden kann. Sie werden in Anzeigesystemen verwendet, die in Mobiltelefonen, Uhren und anderen elektronischen Geräten weit verbreitet sind. Topologische Defekte treten in nematischen Flüssigkristallen auf, wo sich die Ausrichtung ändert. Die Ähnlichkeit dieser Systeme mit der Quantenwelt ist schon länger bekannt. 1991, Pierre-Gilles von Gennes erhielt den Nobelpreis für Physik für seine Erkenntnis, dass die Physik der Supraleiter auch auf Defekte in Flüssigkristallen angewendet werden könnte.
Jetzt angewandte Mathematiker Žiga Kos und Jörg Dunkel des Massachusetts Institute of Technology haben untersucht, ob sich nematische Flüssigkristalle als neuartige Computerplattform als nützlich erweisen könnten.
Höherdimensionaler Zustandsraum
„Wir alle kennen und verwenden digitale Computer und wissen, dass die Leute schon seit sehr langer Zeit über alternative Strategien wie flüssigkeitsbasierte Computer oder Quantensysteme sprechen, die einen höherdimensionalen Zustandsraum haben, damit Sie mehr Informationen speichern können“, sagt Dunkel. „Aber dann stellt sich die Frage, wie man darauf zugreifen und wie man es manipulieren kann.“
Google und IBM haben Quantencomputer mit supraleitenden Quantenbits (Qubits) hergestellt, die kryogene Temperaturen benötigen, um Dekohärenz zu verhindern, während Honeywell und IonQ gefangene Ionen verwendet haben, die ultrastabile Laser benötigen, um Gate-Operationen zwischen Ionen in elektrischen Fallen durchzuführen. Beide haben bemerkenswerte Fortschritte gemacht, und andere Protokolle wie neutrale Atom-Qubits befinden sich in früheren Entwicklungsstadien. All diese verwenden jedoch hochspezialisierte, heikle Protokolle, die in Flüssigkristallsystemen nicht implementiert sind.
In ihrer neuen Arbeit zeigen die Forscher, dass man trotz unterschiedlicher Physik eine mathematische Analogie zwischen dem Verhalten eines topologischen Defekts in einem Flüssigkristall und dem Verhalten eines Qubits ziehen kann. Es ist daher theoretisch möglich, diese „n-Bits“ (nematische Bits), wie die Forscher sie nennen, wie Qubits zu behandeln – und sie zur Ausführung von Quantencomputing-Algorithmen zu verwenden, obwohl die tatsächliche Physik, die ihr Verhalten bestimmt, dies kann klassisch erklärt werden.
Jenseits des klassischen Rechnens
Oder zumindest ist das der Plan. Die Forscher zeigten, dass sich einzelne n-Bits genau wie einzelne Qubits verhalten sollten und dass daher einzelne n-Bit-Gatter theoretisch äquivalent zu einzelnen Qubit-Gattern sind: „Es gibt andere Gatter im Quantencomputing, die auf mehreren Qubits arbeiten“, erklärt Dunkel, „ und diese werden für universelles Quantencomputing benötigt. Das haben wir im Moment nicht für die Flüssigkristall-Gates.“ Trotzdem, so Dunkel, „können wir Dinge tun, die über das klassische Rechnen hinausgehen.“
Die Forscher setzen ihre theoretische Arbeit in der Hoffnung fort, ein besseres Verständnis der mathematischen Zuordnung zwischen mehreren Qubits und mehreren n-Bits zu erlangen, um festzustellen, wie eng die Analogie wirklich ist. Sie arbeiten auch mit Physikern der weichen Materie zusammen, die versuchen, die Tore im Labor zu erstellen. „Wir hoffen, dass das in den nächsten ein bis zwei Jahren passiert“, sagt Dunkel.
Dunkel und Kos beschreiben ihre Studie in einem Artikel in Wissenschaft Fortschritte. Theoretischer und Computerphysiker Daniel Beller von der Johns Hopkins University in den USA ist vorsichtig beeindruckt: „Ich mag dieses Papier wirklich“, sagt er; "Ich denke, es ist möglicherweise sehr bedeutsam." Er weist auf die Behauptungen hin, die für die Fähigkeit von Quantencomputern vorgebracht wurden, Algorithmen mit viel zu vielen Ressourcen oder viel zu lange auszuführen, um sie auf einem klassischen Computer durchführbar zu machen, und sagt, dass „diese Arbeit vorschlägt, dass diese Konzepte testbar und diese rechnerisch sein könnten Beschleunigungen, die in einem System erreichbar sind, das nicht von sehr kalten Temperaturen abhängt oder Quantendekohärenz verhindert“. Er fügt hinzu: „Es ist eine großartige theoretische und rechnerische Demonstration, die als nächstes durch Experimente überprüft werden sollte, da die Physik im Grunde eine experimentelle Wissenschaft ist.“ Er warnt zum Beispiel davor, dass die Realisierung einiger der im Modell verwendeten Annahmen, wie etwa, dass die Defekte stillstehen, während der Flüssigkristall um sie herum fließt, „einige Designüberlegungen in den Experimenten“ erfordern wird.
