Az amerikai kutatók elméletileg kimutatták, hogy a folyadékkristályok topológiai hibái matematikailag hasonlóak a kvantumbitekhez. Ha egy ezen az elven alapuló rendszert a gyakorlatban is meg lehetne valósítani, akkor a kvantumszámítógépek számos előnye megvalósítható lenne egy klasszikus áramkörben – elkerülve a gyakorlati kvantumszámítógépek fejlesztésével foglalkozók előtt álló jelentős kihívásokat.
A nematikus folyadékkristályok rúd alakú molekulák, amelyek hajlamosak egymáshoz igazodni, és amelyek összehangolása elektromos mezőkkel manipulálható. Olyan kijelzőrendszerekben használják őket, amelyek széles körben megtalálhatók mobiltelefonokban, órákban és más elektronikus eszközökben. Topológiai hibák fordulnak elő nematikus folyadékkristályokban, ahol az elrendezés megváltozik. Ezeknek a rendszereknek a kvantumvilághoz való hasonlósága már régóta ismert. 1991-ben Pierre-Gilles de Gennes elnyerte a fizikai Nobel-díjat annak felismeréséért, hogy a szupravezetők fizikája a folyadékkristályok hibáira is alkalmazható.
Most alkalmazott matematikusok Žiga Kos és Jörn Dunkel A Massachusetts Institute of Technology munkatársa megvizsgálta, hogy a nematikus folyadékkristályok hasznosnak bizonyulhatnak-e új számítási platformként.
Magasabb dimenziós állapottér
„Mindannyian ismerjük és használjuk a digitális számítógépeket, és nagyon régóta tudjuk, hogy az emberek olyan alternatív stratégiákról beszélnek, mint a folyadékalapú számítógépek vagy kvantumrendszerek, amelyek nagyobb dimenziójú állapotteret biztosítanak, így több információt tárolhat” – mondja Dunkel. "De akkor ott a kérdés, hogyan lehet hozzáférni és hogyan lehet manipulálni."
A Google és az IBM szupravezető kvantumbiteket (qubit) használó kvantumszámítógépeket állított elő, amelyeknek kriogén hőmérsékletre van szükségük a dekoherencia megelőzése érdekében, míg a Honeywell és az IonQ csapdás ionokat használt, amelyekhez ultrastabil lézerekre van szükség az elektromos csapdákban lévő ionok közötti kapuműveletek végrehajtásához. Mindkettő figyelemreméltó előrehaladást ért el, és más protokollok, például a semleges atom qubitek a fejlesztés korábbi szakaszában vannak. Mindezek azonban rendkívül speciális, kényes protokollokat alkalmaznak, amelyeket nem alkalmaznak folyadékkristályos rendszerekben.
Új munkájukban a kutatók bemutatják, hogy bár a fizika eltérő, matematikai analógia vonható a folyadékkristály topológiai hibájának viselkedése és a qubit viselkedése között. Ezért elméletileg lehetséges ezeket az „n-biteket” (nematikus biteket), ahogyan a kutatók nevezték, úgy kezelni, mintha qubitek lennének – és kvantumszámítási algoritmusok végrehajtására használni őket, még akkor is, ha a viselkedésüket irányító tényleges fizika képes. klasszikusan magyarázható.
A klasszikus számítástechnikán túl
Vagy legalábbis ez a terv. A kutatók bebizonyították, hogy az egyszeres n-biteknek pontosan úgy kell viselkedniük, mint az egyszeres qubiteknek, és ezért az egyetlen n-bites kapuk elméletileg egyenértékűek az egyszeres kubites kapukkal: „Vannak más kapuk a kvantumszámítástechnikában, amelyek több qubiten működnek” – magyarázza Dunkel. ezekre pedig szükség van az univerzális kvantumszámításhoz. Ezek olyan dolgok, amelyekkel jelenleg nem rendelkezünk a folyadékkristályos kapukkal kapcsolatban.” Ennek ellenére – mondja Dunkel – „tehetünk olyan dolgokat is, amelyek túlmutatnak a klasszikus számítástechnikán”.
A kutatók folytatják elméleti munkájukat abban a reményben, hogy jobban megértik a több qubit és több n-bit közötti matematikai leképezést, hogy megbizonyosodjanak arról, mennyire közel áll az analógia valójában. Lágyanyag-fizikusokkal is dolgoznak, akik megpróbálják létrehozni a kapukat a laboratóriumban. „Reméljük, hogy ez a következő egy-két évben megtörténik” – mondja Dunkel.
Dunkel és Kos leírják tanulmányaikat egy cikkben Tudomány előlegek. Elméleti és számítástechnikai fizikus Daniel Beller Az amerikai Johns Hopkins Egyetem munkatársa óvatosan lenyűgözött: „Nagyon szeretem ezt az újságot” – mondja; "Szerintem ez potenciálisan nagyon jelentős." Megjegyzi azokat az állításokat, amelyeket a kvantumszámítógépek azon képességére vonatkozóan fejlesztettek ki, hogy túl sok erőforrást használva, vagy túl hosszú ideig képesek legyenek algoritmusokat futtatni ahhoz, hogy megvalósíthatóvá tegyék őket egy klasszikus számítógépen, és azt mondja, hogy „ez a munka azt javasolja, hogy ezek a koncepciók tesztelhetőek és számításiak lehetnek. olyan rendszerben elérhető gyorsulások, amelyek nem függnek a nagyon hideg hőmérséklettől vagy nem akadályozzák meg a kvantumdekoherenciát”. Hozzáteszi: „Ez egy nagyszerű elméleti és számítási demonstráció, amelyet – mivel a fizika szívében kísérleti tudomány – a következő lépésben kísérletekkel kell ellenőrizni.” Figyelmeztet például arra, hogy a modellben használt egyes feltételezések megvalósítása, például az, hogy a hibák mozdulatlanok maradnak, miközben a folyadékkristály áramlik körülöttük, „néhány tervezési megfontolást igényel a kísérletekben”.
