Naukowcy z USA wykazali teoretycznie, że defekty topologiczne w ciekłych kryształach są matematycznie analogiczne do bitów kwantowych. Gdyby system oparty na tej zasadzie mógł zostać wdrożony w praktyce, wiele zalet komputerów kwantowych można by zrealizować w klasycznym obwodzie – unikając znacznych wyzwań, przed którymi stoją osoby próbujące opracować praktyczne komputery kwantowe.
Ciekłe kryształy nematyczne to molekuły w kształcie prętów, które mają tendencję do ustawiania się w jednej linii, a których ustawieniem można manipulować za pomocą pól elektrycznych. Są one stosowane w systemach wyświetlania, które są szeroko stosowane w telefonach komórkowych, zegarkach i innych gadżetach elektronicznych. Defekty topologiczne występują w ciekłych kryształach nematycznych, w których zmienia się wyrównanie. Podobieństwo tych układów do świata kwantowego jest znane od jakiegoś czasu. W 1991 roku Pierre-Gilles z Gennes otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za uświadomienie sobie, że fizykę nadprzewodników można również zastosować do defektów w ciekłych kryształach.
Teraz matematycy zastosowali Žiga Kos i Jörna Dunkela z Massachusetts Institute of Technology zbadali, czy nematyczne ciekłe kryształy mogą okazać się przydatne jako nowatorska platforma obliczeniowa.
Wyższa wymiarowa przestrzeń stanów
„Wszyscy znamy i używamy komputerów cyfrowych i od bardzo dawna wiemy, że ludzie mówią o alternatywnych strategiach, takich jak komputery na bazie cieczy lub systemy kwantowe, które mają wyższą przestrzeń stanów, dzięki czemu można przechowywać więcej informacji”, mówi Dunkel. „Ale potem pojawia się pytanie, jak uzyskać do niego dostęp i jak nim manipulować”.
Google i IBM wyprodukowały komputery kwantowe przy użyciu nadprzewodzących bitów kwantowych (kubitów), które wymagają temperatur kriogenicznych, aby zapobiec dekoherencji, podczas gdy Honeywell i IonQ wykorzystały uwięzione jony, które wymagają ultrastabilnych laserów do wykonywania operacji bramkowania między jonami w pułapkach elektrycznych. Oba poczyniły znaczne postępy, a inne protokoły, takie jak neutralne kubity atomowe, są na wcześniejszych etapach rozwoju. Wszystkie te jednak wykorzystują wysoce wyspecjalizowane, delikatne protokoły, które nie są zaimplementowane w systemach ciekłokrystalicznych.
W swojej nowej pracy naukowcy wykazują, że chociaż fizyka jest inna, można narysować matematyczną analogię między zachowaniem defektu topologicznego w ciekłym krysztale a zachowaniem kubitu. Dlatego teoretycznie możliwe jest traktowanie tych „n-bitów” (bitów nematycznych), jak nazwali je naukowcy, tak jakby były kubitami – i wykorzystanie ich do wykonywania algorytmów obliczeń kwantowych, mimo że faktyczna fizyka rządząca ich zachowaniem może być wyjaśnione klasycznie.
Poza klasycznymi obliczeniami
A przynajmniej taki jest plan. Naukowcy wykazali, że pojedyncze n-bity powinny zachowywać się dokładnie jak pojedyncze kubity, a zatem pojedyncze n-bitowe bramki były teoretycznie równoważne z pojedynczymi bramkami kubitowymi: „Istnieją inne bramki w obliczeniach kwantowych, które działają na wielu kubitach” – wyjaśnia Dunkel. a te są potrzebne do uniwersalnych obliczeń kwantowych. To jest coś, czego w tej chwili nie mamy w przypadku bram ciekłokrystalicznych”. Niemniej jednak, mówi Dunkel, „możemy robić rzeczy, które wykraczają poza klasyczne obliczenia”.
Naukowcy kontynuują prace teoretyczne w nadziei na lepsze zrozumienie matematycznego mapowania między wieloma kubitami i wieloma n-bitami, aby ustalić, jak bliska jest analogia. Pracują również z fizykami miękkiej materii, którzy próbują stworzyć bramy w laboratorium. „Mamy nadzieję, że stanie się to w ciągu najbliższego roku lub dwóch lat”, mówi Dunkel.
Dunkel i Kos opisują swoje badania w artykule w: Postępy nauki. Fizyk teoretyczny i obliczeniowy Daniela Bellera z Johns Hopkins University w USA jest pod ostrożnym wrażeniem: „Naprawdę podoba mi się ten artykuł”, mówi; „Myślę, że to potencjalnie bardzo ważne”. Zauważa twierdzenia, które zostały wysunięte na temat zdolności komputerów kwantowych do uruchamiania algorytmów przy użyciu zbyt wielu zasobów lub zbyt długo, aby były możliwe do wykonania na klasycznym komputerze, i mówi, że „ta praca sugeruje, że te koncepcje mogą być testowalne, a te obliczeniowe przyspieszenie osiągalne w systemie, który nie jest zależny od bardzo niskich temperatur ani nie zapobiega dekoherencji kwantowej”. Dodaje, że „to wspaniała teoretyczna i obliczeniowa demonstracja, która, ponieważ fizyka jest nauką eksperymentalną, powinna być następnie sprawdzona eksperymentalnie”. Ostrzega na przykład, że realizacja niektórych założeń zastosowanych w modelu, takich jak to, że defekty pozostają nieruchome, podczas gdy ciekły kryształ opływa je, będzie wymagała „pewnych rozważań projektowych w eksperymentach”.
