Topologische defecten in vloeibare kristallen zijn wiskundig analoog aan kwantumbits, hebben onderzoekers in de VS theoretisch aangetoond. Als een systeem dat op dit principe is gebaseerd in de praktijk zou kunnen worden geรฏmplementeerd, zouden veel van de voordelen van kwantumcomputers in een klassiek circuit kunnen worden gerealiseerd, waardoor de aanzienlijke uitdagingen worden vermeden waarmee degenen die praktische kwantumcomputers proberen te ontwikkelen, worden geconfronteerd.
Nematische vloeibare kristallen zijn staafvormige moleculen die de neiging hebben om met elkaar uit te lijnen en waarvan de uitlijning kan worden gemanipuleerd door elektrische velden. Ze worden gebruikt in weergavesystemen die veel voorkomen in mobiele telefoons, horloges en andere elektronische gadgets. Topologische defecten treden op in nematische vloeibare kristallen waar de uitlijning verandert. De gelijkenis van deze systemen met de kwantumwereld is al langer bekend. 1991, Pierre-Gilles van Gennes won de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn besef dat de fysica van supergeleiders ook kan worden toegepast op defecten in vloeibare kristallen.
Nu, toegepaste wiskundigen ลฝiga Kos en Jorn Dunkel van het Massachusetts Institute of Technology hebben gekeken of nematische vloeibare kristallen nuttig zouden kunnen zijn als een nieuw computerplatform.
Hogere dimensionale toestandsruimte
"We kennen en gebruiken allemaal digitale computers, en we weten al heel lang dat mensen praten over alternatieve strategieรซn zoals op vloeistof gebaseerde computers of kwantumsystemen die een hogere dimensionale toestandsruimte hebben, zodat je meer informatie kunt opslaan", zegt Dunkel. "Maar dan is er de vraag hoe je er toegang toe krijgt en hoe je het kunt manipuleren."
Google en IBM hebben kwantumcomputers gemaakt met behulp van supergeleidende kwantumbits (qubits), die cryogene temperaturen nodig hebben om decoherentie te voorkomen, terwijl Honeywell en IonQ gevangen ionen hebben gebruikt, waarvoor ultrastabiele lasers nodig zijn om poortoperaties uit te voeren tussen ionen in elektrische vallen. Beide hebben opmerkelijke vooruitgang geboekt en andere protocollen, zoals neutrale atoom-qubits, bevinden zich in eerdere stadia van ontwikkeling. Al deze maken echter gebruik van zeer gespecialiseerde, delicate protocollen die niet zijn geรฏmplementeerd in systemen met vloeibare kristallen.
In hun nieuwe werk tonen de onderzoekers aan dat, hoewel de fysica anders is, men een wiskundige analogie kan trekken tussen het gedrag van een topologisch defect in een vloeibaar kristal en het gedrag van een qubit. Het is daarom theoretisch mogelijk om deze "n-bits" (nematische bits), zoals de onderzoekers ze hebben genoemd, te behandelen alsof het qubits zijn - en ze te gebruiken om kwantumcomputeralgoritmen uit te voeren, ook al kan de feitelijke fysica die hun gedrag beheerst klassikaal uitgelegd worden.
Voorbij klassiek computergebruik
Of tenminste, dat is het plan. De onderzoekers toonden aan dat enkele n-bits zich precies hetzelfde zouden moeten gedragen als enkele qubits, en daarom waren enkele n-bit-poorten theoretisch equivalent aan enkele qubit-poorten: "Er zijn andere poorten in kwantumcomputing die op meerdere qubits werken", legt Dunkel uit, " en deze zijn nodig voor universele kwantumcomputing. Dit is iets wat we op dit moment niet hebben voor de liquid crystal gates.โ Niettemin, zegt Dunkel, "kunnen we dingen doen die verder gaan dan klassieke computers."
De onderzoekers zetten hun theoretische werk voort in de hoop een beter begrip te krijgen van de wiskundige mapping tussen meerdere qubits en meerdere n-bits om na te gaan hoe dicht de analogie werkelijk is. Ze werken ook samen met natuurkundigen van zachte materie die proberen de poorten in het laboratorium te maken. "We hopen dat dit de komende een of twee jaar zal gebeuren", zegt Dunkel.
Dunkel en Kos beschrijven hun onderzoek in een paper in Wetenschap Advances. Theoretisch en computationeel natuurkundige Daniรซl Beller van de Johns Hopkins University in de VS is voorzichtig onder de indruk: "Ik vind dit artikel erg leuk", zegt hij; "Ik denk dat het potentieel zeer significant is." Hij neemt nota van de beweringen die naar voren zijn gebracht over het vermogen van kwantumcomputers om algoritmen uit te voeren met veel te veel bronnen of veel te veel tijd om ze haalbaar te maken op een klassieke computer en zegt dat "dit werk suggereert dat die concepten testbaar kunnen zijn en dat computationele versnellingen die haalbaar zijn in een systeem dat niet afhankelijk is van zeer koude temperaturen of het voorkomen van kwantumdecoherentieโ. Hij voegt eraan toe: "het is een geweldige theoretische en computationele demonstratie die, omdat natuurkunde in wezen een experimentele wetenschap is, vervolgens experimenteel moet worden gecontroleerd." Hij waarschuwt bijvoorbeeld dat het realiseren van enkele van de aannames die in het model worden gebruikt, zoals dat de defecten stil blijven terwijl het vloeibare kristal eromheen stroomt, "enkele ontwerpoverwegingen in de experimenten" vereist.
