Τα τοπολογικά ελαττώματα στους υγρούς κρυστάλλους είναι μαθηματικά ανάλογα με τα κβαντικά bit, έχουν δείξει θεωρητικά ερευνητές στις ΗΠΑ. Εάν ένα σύστημα που βασίζεται σε αυτήν την αρχή μπορούσε να εφαρμοστεί στην πράξη, πολλά από τα πλεονεκτήματα των κβαντικών υπολογιστών θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν σε ένα κλασικό κύκλωμα - αποφεύγοντας τις σημαντικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν όσοι προσπαθούν να αναπτύξουν πρακτικούς κβαντικούς υπολογιστές.
Οι νηματικοί υγροί κρύσταλλοι είναι μόρια σε σχήμα ράβδου που τείνουν να ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους και των οποίων η ευθυγράμμιση μπορεί να χειραγωγηθεί από ηλεκτρικά πεδία. Χρησιμοποιούνται σε συστήματα οθόνης που βρίσκονται ευρέως σε κινητά τηλέφωνα, ρολόγια και άλλα ηλεκτρονικά gadget. Τοπολογικά ελαττώματα εμφανίζονται σε νηματικούς υγρούς κρυστάλλους όπου αλλάζει η ευθυγράμμιση. Η ομοιότητα αυτών των συστημάτων με τον κβαντικό κόσμο είναι γνωστή εδώ και αρκετό καιρό. Το 1991, Pierre-Gilles de Gennes κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής για τη συνειδητοποίησή του ότι η φυσική των υπεραγωγών θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε ελαττώματα υγρών κρυστάλλων.
Τώρα, οι εφαρμοσμένοι μαθηματικοί Žiga Kos και Τζον Ντάνκελ του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης εξέτασαν κατά πόσον οι νηματικοί υγροί κρύσταλλοι θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμοι ως μια νέα υπολογιστική πλατφόρμα.
Χώρος κατάστασης υψηλότερων διαστάσεων
«Όλοι γνωρίζουμε και χρησιμοποιούμε ψηφιακούς υπολογιστές και εδώ και πολύ καιρό γνωρίζουμε ότι οι άνθρωποι μιλούν για εναλλακτικές στρατηγικές όπως υπολογιστές με βάση υγρά ή κβαντικά συστήματα που έχουν χώρο κατάστασης υψηλότερων διαστάσεων, ώστε να μπορείτε να αποθηκεύσετε περισσότερες πληροφορίες», λέει ο Dunkel. «Αλλά υπάρχει το ερώτημα πώς να αποκτήσετε πρόσβαση και πώς να το χειριστείτε».
Η Google και η IBM έχουν δημιουργήσει κβαντικούς υπολογιστές χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα κβαντικά bit (qubits), τα οποία χρειάζονται κρυογονικές θερμοκρασίες για να αποτρέψουν την αποσυνοχή, ενώ η Honeywell και η IonQ έχουν χρησιμοποιήσει παγιδευμένα ιόντα, τα οποία απαιτούν εξαιρετικά σταθερά λέιζερ για να εκτελούν λειτουργίες πύλης μεταξύ ιόντων σε ηλεκτρικές παγίδες. Και τα δύο έχουν σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδο και άλλα πρωτόκολλα όπως τα qubit ουδέτερου ατόμου βρίσκονται σε προηγούμενα στάδια ανάπτυξης. Όλα αυτά, ωστόσο, χρησιμοποιούν εξαιρετικά εξειδικευμένα, ευαίσθητα πρωτόκολλα που δεν εφαρμόζονται σε συστήματα υγρών κρυστάλλων.
Στη νέα τους εργασία, οι ερευνητές αποδεικνύουν ότι, αν και η φυσική είναι διαφορετική, μπορεί κανείς να σχεδιάσει μια μαθηματική αναλογία μεταξύ της συμπεριφοράς ενός τοπολογικού ελαττώματος σε έναν υγρό κρύσταλλο και της συμπεριφοράς ενός qubit. Ως εκ τούτου, είναι θεωρητικά δυνατό να αντιμετωπιστούν αυτά τα «n-bit» (νηματικά bit), όπως τα ονόμασαν οι ερευνητές, σαν να ήταν qubits - και να τα χρησιμοποιήσουμε για την εκτέλεση αλγορίθμων κβαντικών υπολογιστών, παρόλο που η πραγματική φυσική που διέπει τη συμπεριφορά τους μπορεί να εξηγηθεί κλασικά.
Πέρα από την κλασική πληροφορική
Ή τουλάχιστον, αυτό είναι το σχέδιο. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι τα μεμονωμένα n-bit θα πρέπει να συμπεριφέρονται ακριβώς όπως τα μεμονωμένα qubit, και ως εκ τούτου ότι οι μονές πύλες n-bit ήταν θεωρητικά ισοδύναμες με τις απλές πύλες qubit: «Υπάρχουν και άλλες πύλες στον κβαντικό υπολογισμό που λειτουργούν σε πολλαπλά qubits», εξηγεί ο Dunkel. και αυτά χρειάζονται για τον καθολικό κβαντικό υπολογισμό. Αυτά είναι κάτι που δεν έχουμε αυτή τη στιγμή για τις πύλες υγρών κρυστάλλων». Ωστόσο, λέει ο Dunkel, «μπορούμε να κάνουμε πράγματα που υπερβαίνουν τον κλασικό υπολογισμό».
Οι ερευνητές συνεχίζουν τη θεωρητική τους εργασία με την ελπίδα να αποκτήσουν καλύτερη κατανόηση της μαθηματικής χαρτογράφησης μεταξύ πολλαπλών qubits και πολλαπλών n-bits για να εξακριβώσουν πόσο κοντά είναι πραγματικά η αναλογία. Εργάζονται επίσης με φυσικούς μαλακής ύλης που προσπαθούν να δημιουργήσουν τις πύλες στο εργαστήριο. «Ελπίζουμε ότι αυτό θα συμβεί τα επόμενα ένα ή δύο χρόνια», λέει ο Dunkel.
Ο Dunkel και η Kos περιγράφουν τη μελέτη τους σε ένα άρθρο στο Προκαταβολές Επιστήμη. Θεωρητικός και Υπολογιστικός Φυσικός Ντάνιελ Μπέλερ του Πανεπιστημίου Johns Hopkins στις ΗΠΑ εντυπωσιάζεται προσεκτικά: «Μου αρέσει πολύ αυτή η εργασία», λέει. «Νομίζω ότι είναι δυνητικά πολύ σημαντικό». Σημειώνει τους ισχυρισμούς που έχουν αναπτυχθεί για τις ικανότητες των κβαντικών υπολογιστών να εκτελούν αλγόριθμους χρησιμοποιώντας πάρα πολλούς πόρους ή πολύ μεγάλους πόρους για να τους κάνουν εφικτούς σε έναν κλασικό υπολογιστή και λέει ότι «αυτό το έργο προτείνει ότι αυτές οι έννοιες μπορεί να είναι ελεγχόμενες και αυτές υπολογιστικές επιταχύνσεις που μπορούν να επιτευχθούν σε ένα σύστημα που δεν εξαρτάται από πολύ χαμηλές θερμοκρασίες ή αποτρέποντας την κβαντική αποσυνοχή». Προσθέτει ότι «είναι μια εξαιρετική θεωρητική και υπολογιστική απόδειξη ότι, επειδή η φυσική είναι στην καρδιά μια πειραματική επιστήμη, θα πρέπει στη συνέχεια να ελεγχθεί με πείραμα». Προειδοποιεί, για παράδειγμα, ότι η πραγματοποίηση ορισμένων από τις υποθέσεις που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο, όπως ότι τα ελαττώματα παραμένουν ακίνητα ενώ ο υγρός κρύσταλλος ρέει γύρω τους, θα απαιτήσει «μερικές σχεδιαστικές εκτιμήσεις στα πειράματα».
