Cacat topologi dalam kristal cair secara matematis analog dengan bit kuantum, para peneliti di AS telah menunjukkan secara teoritis. Jika sistem berdasarkan prinsip ini dapat diimplementasikan dalam praktik, banyak keuntungan komputer kuantum dapat diwujudkan dalam sirkuit klasik – menghindari tantangan besar yang dihadapi mereka yang mencoba mengembangkan komputer kuantum praktis.
Kristal cair nematik adalah molekul berbentuk batang yang cenderung berbaris satu sama lain dan penyelarasannya dapat dimanipulasi oleh medan listrik. Mereka digunakan dalam sistem tampilan yang ditemukan secara luas di ponsel, jam tangan, dan gadget elektronik lainnya. Cacat topologi terjadi pada kristal cair nematik di mana keselarasan berubah. Kesamaan sistem ini dengan dunia kuantum telah diketahui selama beberapa waktu. Pada tahun 1991, Pierre-Gilles de Gennes memenangkan Hadiah Nobel untuk Fisika untuk realisasinya bahwa fisika superkonduktor juga dapat diterapkan pada cacat pada kristal cair.
Sekarang, matematikawan terapan iga Kos and Jörn Dunkel dari Massachusetts Institute of Technology telah melihat apakah kristal cair nematik terbukti berguna sebagai platform komputasi baru.
Ruang keadaan dimensi lebih tinggi
“Kita semua tahu dan menggunakan komputer digital, dan untuk waktu yang sangat lama tahu orang telah berbicara tentang strategi alternatif seperti komputer berbasis cairan atau sistem kuantum yang memiliki ruang keadaan dimensi yang lebih tinggi sehingga Anda dapat menyimpan lebih banyak informasi,” kata Dunkel. “Tapi kemudian ada pertanyaan tentang bagaimana mengaksesnya dan bagaimana memanipulasinya.”
Google dan IBM telah memproduksi komputer kuantum menggunakan bit kuantum superkonduktor (qubit), yang membutuhkan suhu kriogenik untuk mencegah dekoherensi, sedangkan Honeywell dan IonQ telah menggunakan ion yang terperangkap, yang memerlukan laser ultra-stabil untuk melakukan operasi gerbang antara ion dalam perangkap listrik. Keduanya telah membuat kemajuan yang luar biasa, dan protokol lain seperti qubit atom netral berada pada tahap awal pengembangan. Semua ini, bagaimanapun, menggunakan protokol yang sangat khusus dan halus yang tidak diimplementasikan dalam sistem kristal cair.
Dalam karya baru mereka, para peneliti menunjukkan bahwa, meskipun fisika berbeda, seseorang dapat menggambar analogi matematis antara perilaku cacat topologi dalam kristal cair dan perilaku qubit. Oleh karena itu secara teoritis mungkin untuk memperlakukan “n-bit” (bit nematic), sebagaimana para peneliti menyebutnya, seolah-olah mereka adalah qubit – dan menggunakannya untuk mengeksekusi algoritma komputasi kuantum, meskipun fisika sebenarnya yang mengatur perilaku mereka dapat dijelaskan secara klasikal.
Di luar komputasi klasik
Atau setidaknya, itulah rencananya. Para peneliti menunjukkan bahwa n-bit tunggal harus berperilaku persis seperti qubit tunggal, dan oleh karena itu gerbang n-bit tunggal secara teoritis setara dengan gerbang qubit tunggal: “Ada gerbang lain dalam komputasi kuantum yang beroperasi pada banyak qubit,” jelas Dunkel, “ dan ini diperlukan untuk komputasi kuantum universal. Ini adalah sesuatu yang tidak kita miliki saat ini untuk gerbang kristal cair.” Namun demikian, kata Dunkel, “kita dapat melakukan hal-hal yang melampaui komputasi klasik.”
Para peneliti melanjutkan pekerjaan teoretis mereka dengan harapan mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang pemetaan matematika antara banyak qubit dan beberapa n-bit untuk memastikan seberapa dekat analogi itu sebenarnya. Mereka juga bekerja dengan fisikawan materi lunak yang mencoba membuat gerbang di laboratorium. “Kami berharap itu akan terjadi selama satu atau dua tahun ke depan,” kata Dunkel.
Dunkel dan Kos menjelaskan studi mereka dalam sebuah makalah di Kemajuan ilmu pengetahuan. Fisikawan teoretis dan komputasional Daniel Beller dari Universitas Johns Hopkins di AS terkesan dengan hati-hati: "Saya sangat menyukai makalah ini," katanya; "Saya pikir itu berpotensi sangat signifikan." Dia mencatat klaim yang telah dikembangkan untuk kemampuan komputer kuantum untuk menjalankan algoritme menggunakan terlalu banyak sumber daya atau terlalu lama untuk membuatnya layak pada komputer klasik dan mengatakan bahwa "karya ini mengusulkan bahwa konsep-konsep itu mungkin dapat diuji dan komputasi tersebut percepatan dapat dicapai dalam sistem yang tidak bergantung pada suhu yang sangat dingin atau mencegah dekoherensi kuantum”. Dia menambahkan "ini adalah demonstrasi teoretis dan komputasi yang hebat, karena fisika pada dasarnya adalah ilmu eksperimental, selanjutnya harus diperiksa dengan eksperimen." Dia memperingatkan, misalnya, bahwa mewujudkan beberapa asumsi yang digunakan dalam model, seperti cacat tetap diam sementara kristal cair mengalir di sekitar mereka akan memerlukan "beberapa pertimbangan desain dalam percobaan".
