פגמים טופולוגיים בגבישים נוזליים הם אנלוגיים מבחינה מתמטית לסיביות קוונטיות, כך הראו חוקרים בארה"ב באופן תיאורטי. אם ניתן היה ליישם מערכת המבוססת על עיקרון זה בפועל, רבים מהיתרונות של מחשבים קוונטיים יכולים להתממש במעגל קלאסי - הימנעות מהאתגרים המשמעותיים העומדים בפני מי שמנסים לפתח מחשבים קוונטיים מעשיים.
גבישים נוזליים נמטיים הם מולקולות בצורת מוט הנוטות ליישר קו אחת עם השנייה ושדות חשמליים יכולים לתמרן את יישורן. הם משמשים במערכות תצוגה שנמצאות רבות בטלפונים ניידים, שעונים וגאדג'טים אלקטרוניים אחרים. פגמים טופולוגיים מתרחשים בגבישים נוזליים נמטיים שבהם היישור משתנה. הדמיון של מערכות אלו לעולם הקוונטי ידוע כבר זמן מה. בשנת 1991, פייר ז'יל מגאן זכה בפרס נובל לפיזיקה על הכרתו שניתן ליישם את הפיזיקה של מוליכים על פגמים בגבישים נוזליים.
כעת, המתמטיקאים היישומיים Žiga Kos and ג'ורן דונקל מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס בדקו האם גבישים נוזליים נמטיים יכולים להיות שימושיים כפלטפורמת מחשוב חדשה.
מרחב מצב ממדי גבוה יותר
"כולנו מכירים ומשתמשים במחשבים דיגיטליים, ובמשך זמן רב מאוד יודעים שאנשים מדברים על אסטרטגיות חלופיות כמו מחשבים מבוססי נוזלים או מערכות קוונטיות שיש להן מרחב מצב ממדי גבוה יותר, כך שתוכל לאחסן מידע נוסף", אומר דונקל. "אבל אז ישנה השאלה איך לגשת אליו ואיך לתמרן אותו."
גוגל ו-IBM ייצרו מחשבים קוונטיים באמצעות סיביות קוונטיות מוליכות-על (קווביטים), שזקוקים לטמפרטורות קריוגניות כדי למנוע דה-קוהרנטיות, ואילו Honeywell ו-IonQ השתמשו ביונים לכודים, הדורשים לייזרים יציבים במיוחד כדי לבצע פעולות שער בין יונים במלכודות חשמליות. שניהם עשו התקדמות יוצאת דופן, ופרוטוקולים אחרים כגון קיוביטים אטומים ניטרליים נמצאים בשלבי התפתחות מוקדמים יותר. עם זאת, כל אלה מפעילים פרוטוקולים מיוחדים ועדינים שאינם מיושמים במערכות גביש נוזלי.
בעבודתם החדשה, החוקרים מדגימים שלמרות שהפיסיקה שונה, אפשר ליצור אנלוגיה מתמטית בין התנהגות של פגם טופולוגי בגביש נוזלי לבין התנהגות של קיוביט. לפיכך ניתן תיאורטית להתייחס ל-"n-bits" הללו (ביטים נמטיים), כפי שכינו אותם החוקרים, כאילו היו קיוביטים - ולהשתמש בהם כדי לבצע אלגוריתמי מחשוב קוונטי, למרות שהפיזיקה הממשית השולטת בהתנהגותם יכולה להיות מוסבר בצורה קלאסית.
מעבר למחשוב הקלאסי
או לפחות, זו התוכנית. החוקרים הוכיחו ש-n-bits בודדים צריכים להתנהג בדיוק כמו קיוביטים בודדים, ולכן שערי n-bit בודדים היו שווים תיאורטית לשערי קיוביט בודדים: "ישנם שערים אחרים במחשוב קוונטי שפועלים על מספר קיוביטים", מסביר דונקל, " ואלה נחוצים עבור מחשוב קוונטי אוניברסלי. אלה משהו שאין לנו כרגע עבור שערי הגביש הנוזלי". עם זאת, אומר דונקל, "אנחנו יכולים לעשות דברים שחורגים ממיחשוב קלאסי."
החוקרים ממשיכים בעבודתם התיאורטית בתקווה להשיג הבנה טובה יותר של המיפוי המתמטי בין קיוביטים מרובים ומספר n-סיביות כדי לברר עד כמה האנלוגיה באמת קרובה. הם גם עובדים עם פיזיקאים של חומר רך שמנסים ליצור את השערים במעבדה. "אנחנו מקווים שזה יקרה במהלך השנה או השנתיים הקרובות", אומר דונקל.
דונקל וקוס מתארים את המחקר שלהם במאמר ב התקדמות מדע. פיזיקאי תיאורטי וחישובי דניאל בלר מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס בארה"ב מתרשם בזהירות: "אני מאוד אוהב את המאמר הזה", הוא אומר; "אני חושב שזה מאוד משמעותי." הוא מציין את הטענות שקודמו ליכולותיהם של מחשבים קוונטיים להריץ אלגוריתמים תוך שימוש בהרבה יותר מדי משאבים או הרבה מדי זמן כדי להפוך אותם למעשיים במחשב קלאסי ואומר כי "עבודה זו מציעה שהמושגים הללו עשויים להיות ניתנים לבדיקה וחישוביים אלה. זירוזים שניתן להשיג במערכת שאינה תלויה בטמפרטורות קרות מאוד או במניעת דה-קוהרנטיות קוונטית". הוא מוסיף "זוהי הדגמה תיאורטית וחישובית נהדרת, שבגלל שפיזיקה היא בבסיסה מדע ניסיוני, יש לבדוק בשלב הבא בניסוי." הוא מזהיר, למשל, כי מימוש חלק מההנחות המשמשות במודל, כגון שהפגמים נשארים דומים בזמן שהגביש הנוזלי זורם סביבם ידרוש "כמה שיקולי תכנון בניסויים".
