Nestekiteiden topologiset viat ovat matemaattisesti analogisia kvanttibittien kanssa, yhdysvaltalaiset tutkijat ovat osoittaneet teoreettisesti. Jos tähän periaatteeseen perustuva järjestelmä voitaisiin toteuttaa käytännössä, monet kvanttitietokoneiden edut voitaisiin toteuttaa klassisessa piirissä – vältytään huomattavilta haasteilta, joita käytännön kvanttitietokoneiden kehittäjät kohtaavat.
Nemaattiset nestekiteet ovat sauvan muotoisia molekyylejä, jotka pyrkivät asettumaan linjaan toistensa kanssa ja joiden kohdistusta voidaan manipuloida sähkökentillä. Niitä käytetään näyttöjärjestelmissä, joita löytyy laajalti matkapuhelimista, kelloista ja muista elektronisista laitteista. Topologisia vikoja esiintyy nemaattisissa nestekiteissä, joissa kohdistus muuttuu. Näiden järjestelmien samankaltaisuus kvanttimaailman kanssa on ollut tiedossa jo jonkin aikaa. Vuonna 1991 Pierre-Gilles de Gennes voitti Nobelin fysiikan palkinnon tajuamisestaan, että suprajohteiden fysiikkaa voidaan soveltaa myös nestekidevirheisiin.
Nyt soveltavat matemaatikot Žiga Kos ja Jörn Dunkel Massachusetts Institute of Technologyn tutkijat ovat tutkineet, voisivatko nemaattiset nestekiteet osoittautua hyödyllisiksi uudenlaisena laskenta-alustana.
Korkeamman ulottuvuuden tila-avaruus
"Me kaikki tunnemme ja käytämme digitaalisia tietokoneita, ja tiedämme, että ihmiset ovat pitkään puhuneet vaihtoehtoisista strategioista, kuten nestepohjaisista tietokoneista tai kvanttijärjestelmistä, joilla on korkeampi ulottuvuustila-avaruus, jotta voit tallentaa enemmän tietoa", Dunkel sanoo. "Mutta sitten on kysymys siitä, kuinka siihen pääsee käsiksi ja kuinka sitä manipuloi."
Google ja IBM ovat tuottaneet kvanttitietokoneita, joissa käytetään suprajohtavia kvanttibittejä (qubits), jotka tarvitsevat kryogeenisiä lämpötiloja dekoherenssin estämiseksi, kun taas Honeywell ja IonQ ovat käyttäneet loukkuun jääneitä ioneja, jotka vaativat ultrastabiileja lasereita suorittaakseen porttioperaatioita ionien välillä sähköloukussa. Molemmat ovat edistyneet huomattavasti, ja muut protokollat, kuten neutraalit atomikubitit, ovat kehitysvaiheessa. Kaikki nämä kuitenkin käyttävät erittäin erikoistuneita, herkkiä protokollia, joita ei ole toteutettu nestekidejärjestelmissä.
Uudessa työssään tutkijat osoittavat, että vaikka fysiikka on erilainen, voidaan vetää matemaattinen analogia nestekiteen topologisen vian käyttäytymisen ja kubitin käyttäytymisen välillä. Siksi on teoriassa mahdollista käsitellä näitä "n-bittejä" (nemaattisia bittejä), kuten tutkijat ovat kutsuneet niitä, ikään kuin ne olisivat kubitteja - ja käyttää niitä kvanttilaskenta-algoritmien suorittamiseen, vaikka niiden käyttäytymistä ohjaava todellinen fysiikka voi selittää klassisesti.
Klassisen tietojenkäsittelyn lisäksi
Tai ainakin se on suunnitelma. Tutkijat osoittivat, että yksittäisten n-bittien pitäisi käyttäytyä täsmälleen kuten yksittäiset kubitit, ja siksi yksittäiset n-bittiset portit olivat teoriassa vastaavia kuin yksittäiset kubitit: "Kvanttilaskennassa on muita portteja, jotka toimivat useilla kubiteilla", Dunkel selittää, " ja näitä tarvitaan yleismaailmalliseen kvanttilaskentaan. Näitä meillä ei tällä hetkellä ole nestekideporteille." Siitä huolimatta, Dunkel sanoo, "voimme tehdä asioita, jotka ylittävät klassisen tietojenkäsittelyn."
Tutkijat jatkavat teoreettista työtään toivoen saavansa paremman käsityksen useiden kubittien ja useiden n-bittien välisestä matemaattisesta kartoituksesta varmistaakseen, kuinka läheinen analogia todella on. He työskentelevät myös pehmeän aineen fyysikkojen kanssa, jotka yrittävät luoda portteja laboratorioon. "Toivomme, että se tapahtuu seuraavan yhden tai kahden vuoden aikana", Dunkel sanoo.
Dunkel ja Kos kuvaavat tutkimustaan julkaisussa Tiede ennakot. Teoreettinen ja laskennallinen fyysikko Daniel Beller Johns Hopkinsin yliopistosta Yhdysvalloissa on varovainen vaikuttunut: "Pidän todella tästä paperista", hän sanoo; "Mielestäni se on potentiaalisesti erittäin merkittävä." Hän panee merkille väitteet, jotka on esitetty kvanttitietokoneiden kyvystä ajaa algoritmeja, jotka käyttävät aivan liian paljon resursseja tai liian kauan, jotta ne olisivat toteutettavissa klassisessa tietokoneessa, ja sanoo, että "tämä työ ehdottaa, että nämä käsitteet voisivat olla testattavia ja laskennallisia Nopeuksia, jotka ovat saavutettavissa järjestelmässä, joka ei ole riippuvainen kovin kylmistä lämpötiloista tai kvanttidekoherenssin estämisestä”. Hän lisää: "Se on loistava teoreettinen ja laskennallinen osoitus, joka pitäisi seuraavaksi tarkistaa kokein, koska fysiikka on pohjimmiltaan kokeellinen tiede." Hän varoittaa esimerkiksi siitä, että joidenkin mallissa käytettyjen oletusten ymmärtäminen, kuten se, että viat pysyvät paikallaan, kun nestekide virtaa niiden ympärillä, vaatii "joitakin suunnittelunäkökohtia kokeissa".
