I difetti topologici nei cristalli liquidi sono matematicamente analoghi ai bit quantistici, i ricercatori negli Stati Uniti hanno dimostrato teoricamente. Se un sistema basato su questo principio potesse essere implementato nella pratica, molti dei vantaggi dei computer quantistici potrebbero essere realizzati in un circuito classico, evitando le considerevoli sfide che devono affrontare coloro che cercano di sviluppare computer quantistici pratici.
I cristalli liquidi nematici sono molecole a forma di bastoncino che tendono ad allinearsi tra loro e il cui allineamento può essere manipolato dai campi elettrici. Sono utilizzati nei sistemi di visualizzazione che si trovano ampiamente in telefoni cellulari, orologi e altri gadget elettronici. Difetti topologici si verificano nei cristalli liquidi nematici in cui l'allineamento cambia. La somiglianza di questi sistemi con il mondo quantistico è nota da tempo. Nel 1991, Pierre-Gilles di Gennes ha vinto il premio Nobel per la fisica per aver compreso che la fisica dei superconduttori poteva essere applicata anche ai difetti dei cristalli liquidi.
Ora, i matematici applicati Žiga Kos e Jörn Dunkel del Massachusetts Institute of Technology hanno esaminato se i cristalli liquidi nematici potrebbero rivelarsi utili come nuova piattaforma informatica.
Spazio degli stati a dimensione superiore
"Conosciamo e utilizziamo tutti computer digitali e da molto tempo sappiamo che le persone hanno parlato di strategie alternative come computer a base di liquidi o sistemi quantistici che hanno uno spazio degli stati dimensionale più elevato in modo da poter archiviare più informazioni", afferma Dunkel. "Ma poi c'è la domanda su come accedervi e come manipolarlo".
Google e IBM hanno prodotto computer quantistici utilizzando bit quantistici superconduttori (qubit), che necessitano di temperature criogeniche per prevenire la decoerenza, mentre Honeywell e IonQ hanno utilizzato ioni intrappolati, che richiedono laser ultra stabili per eseguire operazioni di gate tra ioni in trappole elettriche. Entrambi hanno compiuto notevoli progressi e altri protocolli come i qubit di atomi neutri sono nelle prime fasi di sviluppo. Tutti questi, tuttavia, impiegano protocolli altamente specializzati e delicati che non sono implementati nei sistemi a cristalli liquidi.
Nel loro nuovo lavoro, i ricercatori dimostrano che, sebbene la fisica sia diversa, si può tracciare un'analogia matematica tra il comportamento di un difetto topologico in un cristallo liquido e il comportamento di un qubit. È quindi teoricamente possibile trattare questi “n-bit” (bit nematici), come li hanno chiamati i ricercatori, come se fossero qubit – e utilizzarli per eseguire algoritmi di calcolo quantistico, anche se la fisica effettiva che ne governa il comportamento può essere spiegato in modo classico.
Oltre l'informatica classica
O almeno, questo è il piano. I ricercatori hanno dimostrato che i singoli n-bit dovrebbero comportarsi esattamente come i singoli qubit, e quindi che i singoli n-bit gate erano teoricamente equivalenti ai singoli qubit gate: "Ci sono altri gate nel calcolo quantistico che operano su più qubit", spiega Dunkel, " e questi sono necessari per il calcolo quantistico universale. Questi sono qualcosa che non abbiamo al momento per i cancelli a cristalli liquidi”. Tuttavia, dice Dunkel, "possiamo fare cose che vanno oltre l'informatica classica".
I ricercatori stanno continuando il loro lavoro teorico nella speranza di ottenere una migliore comprensione della mappatura matematica tra più qubit e più n-bit per accertare quanto sia davvero vicina l'analogia. Stanno anche lavorando con fisici della materia soffice che stanno tentando di creare i cancelli in laboratorio. "Ci auguriamo che ciò accada nei prossimi uno o due anni", afferma Dunkel.
Dunkel e Kos descrivono il loro studio in un articolo in Anticipi Scienza. Fisico teorico e computazionale Daniele Beller della Johns Hopkins University negli Stati Uniti è cautamente impressionato: "Mi piace molto questo articolo", dice; "Penso che sia potenzialmente molto significativo." Nota le affermazioni che sono state avanzate per le capacità dei computer quantistici di eseguire algoritmi utilizzando troppe risorse o troppo a lungo per renderle fattibili su un computer classico e afferma che "questo lavoro propone che quei concetti potrebbero essere verificabili e quelli computazionali accelerazioni ottenibili in un sistema che non dipende da temperature molto basse o impedisce la decoerenza quantistica”. Aggiunge "è una grande dimostrazione teorica e computazionale che, poiché la fisica è in fondo una scienza sperimentale, dovrebbe essere successivamente verificata mediante esperimento". Avverte, ad esempio, che la realizzazione di alcune delle ipotesi utilizzate nel modello, come il fatto che i difetti rimangano fermi mentre il cristallo liquido scorre intorno ad essi, richiederà "alcune considerazioni di progettazione negli esperimenti".
