液晶のトポロジー欠陥は、量子ビットに数学的に類似していることを、米国の研究者が理論的に示しました。 この原理に基づくシステムを実際に実装できれば、量子コンピューターの利点の多くを古典的な回路で実現でき、実用的な量子コンピューターを開発しようとする人々が直面するかなりの課題を回避できます。
ネマチック液晶は棒状の分子で、互いに整列する傾向があり、その整列は電場によって操作できます。 それらは、携帯電話、時計、その他の電子機器に広く見られるディスプレイシステムで使用されています。 ネマチック液晶では、配向が変化するトポロジー欠陥が発生します。 これらのシステムが量子世界に似ていることは、以前から知られていました。 1991年、 ピエールジルドジャンヌ 超伝導体の物理学が液晶の欠陥にも適用できることを発見したことで、ノーベル物理学賞を受賞しました。
さて、応用数学者ジガ・コスと ヨルン・ダンケル マサチューセッツ工科大学の研究チームは、ネマティック液晶が新しいコンピューティング プラットフォームとして役立つかどうかを調べました。
高次元状態空間
「私たちは皆、デジタル コンピューターを知っていて、使用しています。非常に長い間、液体ベースのコンピューターや、より多くの情報を保存できる高次元の状態空間を持つ量子システムなどの代替戦略について人々が話してきたことを知っています」と Dunkel 氏は言います。 「しかし、そこにはどのようにアクセスし、どのように操作するかという問題があります。」
Google と IBM は、デコヒーレンスを防ぐために極低温を必要とする超伝導量子ビット (キュービット) を使用して量子コンピューターを製造しましたが、Honeywell と IonQ はトラップされたイオンを使用しました。 どちらも目覚ましい進歩を遂げており、中性原子キュービットなどの他のプロトコルは開発の初期段階にあります。 ただし、これらはすべて、液晶システムには実装されていない高度に専門化された繊細なプロトコルを採用しています。
彼らの新しい研究で、研究者たちは、物理学は異なっていても、液晶のトポロジー欠陥の挙動とキュービットの挙動の間に数学的な類似性を引き出すことができることを示しています。 したがって、理論的には、これらの「n ビット」 (ネマティック ビット) (研究者が呼んでいるように) を量子ビットであるかのように扱い、それらを使用して量子コンピューティング アルゴリズムを実行することができます。古典的に説明します。
古典的なコンピューティングを超えて
または少なくとも、それが計画です。 研究者は、単一の n ビットが単一の量子ビットとまったく同じように動作する必要があること、したがって単一の n ビットのゲートが理論的には単一の量子ビットのゲートと同等であることを実証しました。そして、これらは普遍的な量子コンピューティングに必要です。 これらは、現時点では液晶ゲートにはありません。」 それにもかかわらず、ダンケル氏は、「私たちは古典的なコンピューティングを超えることを行うことができます」と述べています。
研究者は、複数のキュービットと複数の n ビットの間の数学的マッピングをよりよく理解し、類似性が実際にどれだけ近いかを確認することを期待して、理論的な研究を続けています。 彼らはまた、実験室でゲートを作成しようとしているソフトマター物理学者と協力しています。 「今後 XNUMX ～ XNUMX 年でそれが実現することを願っています」と Dunkel 氏は言います。
Dunkel と Kos は、論文で彼らの研究について説明しています。 科学の進歩. 理論および計算物理学者 ダニエル・ベラー 米国のジョンズ・ホプキンス大学の教授は、慎重ながら感銘を受けています。 「潜在的に非常に重要だと思います。」 彼は、従来のコンピューターで実現するには、あまりにも多くのリソースまたは長すぎるリソースを使用してアルゴリズムを実行する量子コンピューターの能力について進められてきた主張に言及し、次のように述べています。非常に低い温度や量子デコヒーレンスの防止に依存しないシステムで達成可能なスピードアップ」. 彼は、「物理学は本質的に実験科学であるため、次に実験によって確認する必要があることは、理論上および計算上の優れたデモンストレーションです」と付け加えています。 たとえば、液晶が欠陥の周りを流れている間、欠陥は静止したままであるなど、モデルで使用されているいくつかの仮定を実現するには、「実験におけるいくつかの設計上の考慮事項」が必要になると彼は警告します。
