محققان در ایالات متحده به طور نظری نشان داده‌اند که نقص‌های توپولوژیکی در کریستال‌های مایع از نظر ریاضی مشابه بیت‌های کوانتومی است. اگر سیستمی مبتنی بر این اصل را بتوان در عمل پیاده‌سازی کرد، بسیاری از مزایای رایانه‌های کوانتومی را می‌توان در یک مدار کلاسیک تحقق بخشید - اجتناب از چالش‌های قابل‌توجهی که با آن‌هایی که سعی در توسعه رایانه‌های کوانتومی عملی دارند.
کریستال‌های مایع نماتیک، مولکول‌های میله‌ای هستند که تمایل دارند در کنار یکدیگر قرار بگیرند و هم ترازی آنها را می‌توان توسط میدان‌های الکتریکی دستکاری کرد. آنها در سیستم های نمایشگر استفاده می شوند که به طور گسترده در تلفن های همراه، ساعت ها و سایر ابزارهای الکترونیکی یافت می شوند. عیوب توپولوژیکی در بلورهای مایع نماتیکی رخ می دهد که در آن تراز تغییر می کند. شباهت این سیستم ها به دنیای کوانتومی مدتی است که شناخته شده است. در سال 1991، پیر ژیل از جن برنده جایزه نوبل فیزیک برای درک این موضوع که فیزیک ابررساناها را می توان برای نقص در کریستال های مایع نیز به کار برد.
در حال حاضر، ریاضیدانان کاربردی ژیگا کوس و یورن دانکل موسسه فناوری ماساچوست به این موضوع پرداخته است که آیا کریستال های مایع نماتیک می توانند به عنوان یک پلت فرم محاسباتی جدید مفید باشند یا خیر.
فضای حالت با ابعاد بالاتر
دانکل می‌گوید: «همه ما رایانه‌های دیجیتالی را می‌شناسیم و از آن استفاده می‌کنیم، و برای مدت طولانی می‌دانیم که مردم درباره استراتژی‌های جایگزین مانند رایانه‌های مبتنی بر مایع یا سیستم‌های کوانتومی که فضای حالت ابعادی بالاتری دارند، صحبت می‌کنند تا بتوانید اطلاعات بیشتری را ذخیره کنید.» اما پس از آن این سوال وجود دارد که چگونه به آن دسترسی داشته باشیم و چگونه آن را دستکاری کنیم.
گوگل و آی‌بی‌ام رایانه‌های کوانتومی را با استفاده از بیت‌های کوانتومی ابررسانا (کیوبیت‌ها) تولید کرده‌اند که برای جلوگیری از همدوسی نیاز به دمای برودتی دارند، در حالی که Honeywell و IonQ از یون‌های به دام افتاده استفاده کرده‌اند که برای انجام عملیات گیت بین یون‌ها در تله‌های الکتریکی به لیزرهای فوق‌پایدار نیاز دارند. هر دو پیشرفت قابل توجهی داشته اند و پروتکل های دیگر مانند کیوبیت های اتم خنثی در مراحل اولیه توسعه هستند. با این حال، همه اینها از پروتکل های بسیار تخصصی و ظریفی استفاده می کنند که در سیستم های کریستال مایع پیاده سازی نمی شوند.
محققان در کار جدید خود نشان می‌دهند که اگرچه فیزیک متفاوت است، اما می‌توان یک قیاس ریاضی بین رفتار یک نقص توپولوژیکی در یک کریستال مایع و رفتار یک کیوبیت ترسیم کرد. بنابراین، از نظر تئوری می‌توان با این «n-bit» (بیت‌های نماتیک)، همانطور که محققان آنها را کیوبیت نامیده‌اند، رفتار کرد و از آنها برای اجرای الگوریتم‌های محاسبات کوانتومی استفاده کرد، حتی اگر فیزیک واقعی حاکم بر رفتار آنها بتواند به صورت کلاسیک توضیح داده شود.
فراتر از محاسبات کلاسیک
یا حداقل، این برنامه است. محققان نشان دادند که n بیت های منفرد باید دقیقاً مانند کیوبیت های منفرد رفتار کنند و بنابراین دروازه های n بیتی منفرد از نظر تئوری معادل دروازه های تک کیوبیتی هستند: دانکل توضیح می دهد: "در محاسبات کوانتومی گیت های دیگری نیز وجود دارد که روی کیوبیت های متعدد کار می کنند." و اینها برای محاسبات کوانتومی جهانی مورد نیاز هستند. اینها چیزی است که ما در حال حاضر برای دروازه های کریستال مایع نداریم. با این حال، دانکل می‌گوید: «ما می‌توانیم کارهایی را انجام دهیم که فراتر از محاسبات کلاسیک است».
محققان به کار نظری خود ادامه می دهند به این امید که درک بهتری از نگاشت ریاضی بین چند کیوبیت و چند بیت n بدست آورند تا مشخص شود که این قیاس واقعا چقدر نزدیک است. آنها همچنین در حال کار با فیزیکدانان ماده نرم هستند که در تلاش برای ایجاد دروازه ها در آزمایشگاه هستند. دانکل می‌گوید: «امیدواریم این اتفاق در یکی دو سال آینده رخ دهد.
دانکل و کوس مطالعه خود را در مقاله ای در با پیشرفتهای علمی. فیزیکدان نظری و محاسباتی دانیل بلر از دانشگاه جان هاپکینز در ایالات متحده با احتیاط تحت تأثیر قرار گرفته است: او می گوید: «من واقعاً این مقاله را دوست دارم. "من فکر می کنم که به طور بالقوه بسیار مهم است." او به ادعاهایی که در مورد توانایی رایانه‌های کوانتومی برای اجرای الگوریتم‌ها با استفاده از منابع بسیار زیاد یا طولانی‌تر برای امکان‌پذیر ساختن آنها در رایانه‌های کلاسیک انجام شده است، اشاره می‌کند و می‌گوید: «این کار پیشنهاد می‌کند که آن مفاهیم ممکن است قابل آزمایش باشند و آنها محاسباتی باشند. افزایش سرعت قابل دستیابی در سیستمی که به دمای بسیار سرد یا جلوگیری از ناهمدوسی کوانتومی بستگی ندارد. او می افزاید: «این یک نمایش نظری و محاسباتی عالی است که چون فیزیک در قلب یک علم تجربی است، باید بعداً با آزمایش بررسی شود.» به عنوان مثال، او هشدار می دهد که تحقق برخی از مفروضات استفاده شده در مدل، مانند اینکه عیوب ثابت می مانند در حالی که کریستال مایع در اطراف آنها جریان دارد، به "برخی ملاحظات طراحی در آزمایش ها" نیاز دارد.
