Les défauts topologiques dans les cristaux liquides sont mathématiquement analogues aux bits quantiques, ont montré théoriquement des chercheurs américains. Si un système basé sur ce principe pouvait être mis en œuvre dans la pratique, de nombreux avantages des ordinateurs quantiques pourraient être réalisés dans un circuit classique, évitant ainsi les défis considérables auxquels sont confrontés ceux qui tentent de développer des ordinateurs quantiques pratiques.
Les cristaux liquides nématiques sont des molécules en forme de tige qui ont tendance à s'aligner les unes sur les autres et dont l'alignement peut être manipulé par des champs électriques. Ils sont utilisés dans les systèmes d'affichage que l'on trouve largement dans les téléphones portables, les montres et autres gadgets électroniques. Les défauts topologiques se produisent dans les cristaux liquides nématiques où l'alignement change. La similitude de ces systèmes avec le monde quantique est connue depuis un certain temps. En 1991, Pierre-Gilles de Gennes a remporté le prix Nobel de physique pour avoir compris que la physique des supraconducteurs pouvait également s'appliquer aux défauts des cristaux liquides.
Maintenant, les mathématiciens appliqués Žiga Kos et Jörn Dunkel du Massachusetts Institute of Technology ont examiné si les cristaux liquides nématiques pourraient s'avérer utiles en tant que nouvelle plate-forme informatique.
Espace d'état de dimension supérieure
"Nous connaissons et utilisons tous des ordinateurs numériques, et depuis très longtemps, les gens parlent de stratégies alternatives comme les ordinateurs à base de liquide ou les systèmes quantiques qui ont un espace d'état de dimension supérieure afin que vous puissiez stocker plus d'informations", explique Dunkel. "Mais il y a ensuite la question de savoir comment y accéder et comment le manipuler."
Google et IBM ont produit des ordinateurs quantiques utilisant des bits quantiques supraconducteurs (qubits), qui ont besoin de températures cryogéniques pour empêcher la décohérence, tandis que Honeywell et IonQ ont utilisé des ions piégés, qui nécessitent des lasers ultra-stables pour effectuer des opérations de porte entre les ions dans des pièges électriques. Les deux ont fait des progrès remarquables, et d'autres protocoles tels que les qubits d'atomes neutres sont à des stades de développement plus précoces. Cependant, tous ces protocoles utilisent des protocoles hautement spécialisés et délicats qui ne sont pas mis en œuvre dans les systèmes à cristaux liquides.
Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs démontrent que, bien que la physique soit différente, on peut établir une analogie mathématique entre le comportement d'un défaut topologique dans un cristal liquide et le comportement d'un qubit. Il est donc théoriquement possible de traiter ces "n-bits" (bits nématiques), comme les ont appelés les chercheurs, comme s'il s'agissait de qubits - et de les utiliser pour exécuter des algorithmes de calcul quantique, même si la physique réelle régissant leur comportement peut s'expliquer classiquement.
Au-delà de l'informatique classique
Ou du moins, c'est le plan. Les chercheurs ont démontré que les n-bits uniques devraient se comporter exactement comme des qubits uniques, et donc que les portes à n bits uniques étaient théoriquement équivalentes aux portes à un seul qubit : « Il existe d'autres portes en informatique quantique qui fonctionnent sur plusieurs qubits », explique Dunkel, « et ceux-ci sont nécessaires pour l'informatique quantique universelle. C'est quelque chose que nous n'avons pas pour le moment pour les portes à cristaux liquides. Néanmoins, dit Dunkel, "nous pouvons faire des choses qui vont au-delà de l'informatique classique".
Les chercheurs poursuivent leurs travaux théoriques dans l'espoir de mieux comprendre la cartographie mathématique entre plusieurs qubits et plusieurs n-bits pour déterminer à quel point l'analogie est vraiment proche. Ils travaillent également avec des physiciens de la matière molle qui tentent de créer les portes en laboratoire. "Nous espérons que cela se produira au cours des deux prochaines années", déclare Dunkel.
Dunkel et Kos décrivent leur étude dans un article en Science Advances. Physicien théorique et informatique Daniel Beller de l'Université Johns Hopkins aux États-Unis est prudemment impressionné : « J'aime vraiment cet article », dit-il ; "Je pense que c'est potentiellement très important." Il note les affirmations qui ont été avancées sur les capacités des ordinateurs quantiques à exécuter des algorithmes en utilisant beaucoup trop de ressources ou beaucoup trop longtemps pour les rendre réalisables sur un ordinateur classique et dit que "ce travail propose que ces concepts puissent être testables et ceux de calcul". accélérations réalisables dans un système qui ne dépend pas de températures très froides ou qui n'empêche pas la décohérence quantique ». Il ajoute "c'est une grande démonstration théorique et informatique qui, parce que la physique est au fond une science expérimentale, devrait ensuite être vérifiée par l'expérience". Il prévient, par exemple, que la réalisation de certaines des hypothèses utilisées dans le modèle, telles que le fait que les défauts restent immobiles pendant que les cristaux liquides s'écoulent autour d'eux, nécessitera « certaines considérations de conception dans les expériences ».
