Los defectos topológicos en los cristales líquidos son matemáticamente análogos a los bits cuánticos, según han demostrado teóricamente investigadores de EE. UU. Si un sistema basado en este principio pudiera implementarse en la práctica, muchas de las ventajas de las computadoras cuánticas podrían realizarse en un circuito clásico, evitando los desafíos considerables que enfrentan quienes intentan desarrollar computadoras cuánticas prácticas.
Los cristales líquidos nemáticos son moléculas en forma de varilla que tienden a alinearse entre sí y cuya alineación puede manipularse mediante campos eléctricos. Se utilizan en sistemas de visualización que se encuentran ampliamente en teléfonos móviles, relojes y otros dispositivos electrónicos. Los defectos topológicos ocurren en cristales líquidos nemáticos donde cambia la alineación. La similitud de estos sistemas con el mundo cuántico se conoce desde hace algún tiempo. En 1991, Pierre-Gilles de Gennes ganó el Premio Nobel de Física por su descubrimiento de que la física de los superconductores también podría aplicarse a los defectos en los cristales líquidos.
Ahora, los matemáticos aplicados Žiga Kos y Jörn Dunkel del Instituto de Tecnología de Massachusetts han analizado si los cristales líquidos nemáticos podrían resultar útiles como una plataforma informática novedosa.
Espacio de estado de dimensiones superiores
“Todos conocemos y usamos computadoras digitales, y durante mucho tiempo sabemos que la gente ha estado hablando de estrategias alternativas como computadoras basadas en líquidos o sistemas cuánticos que tienen un espacio de estado dimensional más alto para que pueda almacenar más información”, dice Dunkel. “Pero luego está la cuestión de cómo acceder a él y cómo manipularlo”.
Google e IBM han producido computadoras cuánticas utilizando bits cuánticos superconductores (qubits), que necesitan temperaturas criogénicas para evitar la decoherencia, mientras que Honeywell e IonQ han utilizado iones atrapados, que requieren láseres ultraestables para realizar operaciones de puerta entre iones en trampas eléctricas. Ambos han logrado un progreso notable, y otros protocolos, como los qubits de átomos neutros, se encuentran en etapas más tempranas de desarrollo. Todos estos, sin embargo, emplean protocolos delicados altamente especializados que no se implementan en los sistemas de cristal líquido.
En su nuevo trabajo, los investigadores demuestran que, aunque la física es diferente, se puede trazar una analogía matemática entre el comportamiento de un defecto topológico en un cristal líquido y el comportamiento de un qubit. Por lo tanto, es teóricamente posible tratar estos "n-bits" (bits nemáticos), como los han llamado los investigadores, como si fueran qubits, y usarlos para ejecutar algoritmos de computación cuántica, aunque la física real que gobierna su comportamiento puede ser explicado clásicamente.
Más allá de la informática clásica
O al menos, ese es el plan. Los investigadores demostraron que los n bits individuales deberían comportarse exactamente como los qubits individuales y, por lo tanto, las puertas de n bits individuales eran teóricamente equivalentes a las puertas de qubit individuales: "Hay otras puertas en la computación cuántica que operan en múltiples qubits", explica Dunkel, " y estos son necesarios para la computación cuántica universal. Esto es algo que no tenemos en este momento para las puertas de cristal líquido”. Sin embargo, dice Dunkel, “podemos hacer cosas que van más allá de la computación clásica”.
Los investigadores continúan su trabajo teórico con la esperanza de obtener una mejor comprensión del mapeo matemático entre múltiples qubits y múltiples n-bits para determinar cuán cercana es realmente la analogía. También están trabajando con físicos de materia blanda que intentan crear las puertas en el laboratorio. “Esperamos que eso suceda en los próximos uno o dos años”, dice Dunkel.
Dunkel y Kos describen su estudio en un artículo en Science Advances. Físico teórico y computacional Daniel Beller de la Universidad Johns Hopkins en los EE. UU. está cautelosamente impresionado: “Realmente me gusta este artículo”, dice; “Creo que es potencialmente muy significativo”. Señala las afirmaciones que se han hecho sobre las capacidades de las computadoras cuánticas para ejecutar algoritmos utilizando demasiados recursos o durante demasiado tiempo para hacerlos factibles en una computadora clásica y dice que "este trabajo propone que esos conceptos podrían ser comprobables y esos computacionales aceleraciones alcanzables en un sistema que no depende de temperaturas muy frías o que impidan la decoherencia cuántica”. Agrega que "es una gran demostración teórica y computacional de que, debido a que la física es en el fondo una ciencia experimental, luego debe verificarse mediante experimentos". Advierte, por ejemplo, que darse cuenta de algunas de las suposiciones utilizadas en el modelo, como que los defectos permanecen inmóviles mientras el cristal líquido fluye a su alrededor, requerirá "algunas consideraciones de diseño en los experimentos".
