Topologiske defekter i flytende krystaller er matematisk analoge med kvantebiter, har forskere i USA vist teoretisk. Hvis et system basert på dette prinsippet kunne implementeres i praksis, vil mange av fordelene med kvantedatamaskiner kunne realiseres i en klassisk krets – og unngå de betydelige utfordringene som står overfor de som prøver å utvikle praktiske kvantedatamaskiner.
Nematiske flytende krystaller er stavformede molekyler som har en tendens til å stille seg på linje med hverandre og hvis justering kan manipuleres av elektriske felt. De brukes i displaysystemer som finnes mye i mobiltelefoner, klokker og andre elektroniske dingser. Topologiske defekter oppstår i nematiske flytende krystaller der justeringen endres. Likheten mellom disse systemene og kvanteverdenen har vært kjent i noen tid. I 1991, Pierre-Gilles de Gennes vant Nobelprisen i fysikk for sin erkjennelse av at fysikken til superledere også kunne brukes på defekter i flytende krystaller.
Nå, anvendte matematikere Žiga Kos og Jörn Dunkel ved Massachusetts Institute of Technology har sett på om nematiske flytende krystaller kan vise seg å være nyttige som en ny dataplattform.
Høyere dimensjonalt tilstandsrom
"Vi kjenner og bruker alle digitale datamaskiner, og i svært lang tid vet at folk har snakket om alternative strategier som væskebaserte datamaskiner eller kvantesystemer som har et høyere dimensjonalt tilstandsrom slik at du kan lagre mer informasjon," sier Dunkel. "Men så er det spørsmålet om hvordan man får tilgang til det og hvordan man manipulerer det."
Google og IBM har produsert kvantedatamaskiner som bruker superledende kvantebiter (qubits), som trenger kryogene temperaturer for å forhindre dekoherens, mens Honeywell og IonQ har brukt fangede ioner, som krever ultrastabile lasere for å utføre portoperasjoner mellom ioner i elektriske feller. Begge har gjort bemerkelsesverdige fremskritt, og andre protokoller som nøytrale atom-qubits er på tidligere utviklingsstadier. Alle disse bruker imidlertid svært spesialiserte, delikate protokoller som ikke er implementert i flytende krystallsystemer.
I sitt nye arbeid demonstrerer forskerne at selv om fysikken er annerledes, kan man trekke en matematisk analogi mellom oppførselen til en topologisk defekt i en flytende krystall og oppførselen til en qubit. Det er derfor teoretisk mulig å behandle disse "n-bitene" (nematiske biter), som forskerne har kalt dem, som om de var qubits - og å bruke dem til å utføre kvanteberegningsalgoritmer, selv om den faktiske fysikken som styrer oppførselen deres kan forklares klassisk.
Utover klassisk databehandling
Eller i det minste, det er planen. Forskerne demonstrerte at enkelt n-biter burde oppføre seg nøyaktig som enkelt qubits, og derfor at enkelt n-bit porter var teoretisk ekvivalente med enkelt qubit porter: "Det er andre porter i kvanteberegning som opererer på flere kvantebiter," forklarer Dunkel, " og disse er nødvendige for universell kvanteberegning. Dette er noe vi ikke har for øyeblikket for flytende krystallportene.» Likevel, sier Dunkel, "kan vi gjøre ting som går utover klassisk databehandling."
Forskerne fortsetter sitt teoretiske arbeid i håp om å få en bedre forståelse av den matematiske kartleggingen mellom flere qubits og flere n-bits for å finne ut hvor nær analogien egentlig er. De jobber også med myk materie-fysikere som prøver å lage portene i laboratoriet. "Vi håper det vil skje i løpet av de neste ett eller to årene," sier Dunkel.
Dunkel og Kos beskriver studien deres i en artikkel i Vitenskap Fremskritt. Teoretisk og beregningsfysiker Daniel Beller fra Johns Hopkins University i USA er forsiktig imponert: «Jeg liker virkelig denne artikkelen,» sier han; "Jeg tror det er potensielt veldig viktig." Han noterer seg påstandene som har blitt fremmet for evnen til kvantedatamaskiner til å kjøre algoritmer ved å bruke altfor mange ressurser eller altfor lenge til å gjøre dem gjennomførbare på en klassisk datamaskin, og sier at "dette arbeidet foreslår at disse konseptene kan være testbare og de beregningsbaserte speedups oppnåelig i et system som ikke er avhengig av veldig kalde temperaturer eller hindrer kvantedekoherens”. Han legger til "det er en flott teoretisk og beregningsmessig demonstrasjon som, fordi fysikk i bunn og grunn er en eksperimentell vitenskap, bør deretter kontrolleres ved eksperiment." Han advarer for eksempel om at det å realisere noen av forutsetningene som brukes i modellen, for eksempel at defektene forblir stille mens flytende krystaller strømmer rundt dem, vil kreve "noen designbetraktninger i eksperimentene".
