Defeitos topológicos em cristais líquidos são matematicamente análogos a bits quânticos, mostraram teoricamente pesquisadores nos EUA. Se um sistema baseado neste princípio pudesse ser implementado na prática, muitas das vantagens dos computadores quânticos poderiam ser realizadas em um circuito clássico – evitando os desafios consideráveis enfrentados por aqueles que tentam desenvolver computadores quânticos práticos.
Cristais líquidos nemáticos são moléculas em forma de bastão que tendem a se alinhar entre si e cujo alinhamento pode ser manipulado por campos elétricos. Eles são usados em sistemas de exibição amplamente encontrados em telefones celulares, relógios e outros aparelhos eletrônicos. Defeitos topológicos ocorrem em cristais líquidos nemáticos onde o alinhamento muda. A semelhança desses sistemas com o mundo quântico é conhecida há algum tempo. Em 1991, Pierre Gilles de Gennes ganhou o Prêmio Nobel de Física por sua percepção de que a física dos supercondutores também poderia ser aplicada a defeitos em cristais líquidos.
Agora, os matemáticos aplicados Žiga Kos e Jorn Dunkel do Massachusetts Institute of Technology analisaram se os cristais líquidos nemáticos poderiam ser úteis como uma nova plataforma de computação.
Espaço de estado dimensional superior
“Todos nós conhecemos e usamos computadores digitais e, há muito tempo, sabemos que as pessoas falam sobre estratégias alternativas, como computadores baseados em líquidos ou sistemas quânticos que possuem um espaço de estado dimensional mais alto para que você possa armazenar mais informações”, diz Dunkel. “Mas então há a questão de como acessá-lo e como manipulá-lo.”
Google e IBM produziram computadores quânticos usando bits quânticos supercondutores (qubits), que precisam de temperaturas criogênicas para evitar a decoerência, enquanto Honeywell e IonQ usaram íons presos, que exigem lasers ultraestáveis para realizar operações de porta entre íons em armadilhas elétricas. Ambos fizeram um progresso notável, e outros protocolos, como qubits de átomos neutros, estão em estágios iniciais de desenvolvimento. Todos eles, no entanto, empregam protocolos delicados e altamente especializados que não são implementados em sistemas de cristal líquido.
Em seu novo trabalho, os pesquisadores demonstram que, embora a física seja diferente, pode-se traçar uma analogia matemática entre o comportamento de um defeito topológico em um cristal líquido e o comportamento de um qubit. Portanto, é teoricamente possível tratar esses “n-bits” (bits nemáticos), como os pesquisadores os chamaram, como se fossem qubits – e usá-los para executar algoritmos de computação quântica, mesmo que a física real que governa seu comportamento possa ser explicado classicamente.
Além da computação clássica
Ou pelo menos, esse é o plano. Os pesquisadores demonstraram que n-bits únicos devem se comportar exatamente como qubits únicos e, portanto, que portões de n-bit únicos eram teoricamente equivalentes a portões de qubit únicos: “Existem outros portões na computação quântica que operam em vários qubits”, explica Dunkel, “ e estes são necessários para a computação quântica universal. Isso é algo que não temos no momento para os portões de cristal líquido.” No entanto, diz Dunkel, “podemos fazer coisas que vão além da computação clássica”.
Os pesquisadores continuam seu trabalho teórico na esperança de obter uma melhor compreensão do mapeamento matemático entre vários qubits e vários n-bits para verificar o quão perto a analogia realmente é. Eles também estão trabalhando com físicos de matéria mole que estão tentando criar os portões em laboratório. “Esperamos que isso aconteça nos próximos um ou dois anos”, diz Dunkel.
Dunkel e Kos descrevem seu estudo em um artigo em Os avanços da ciência. Físico Teórico e Computacional Daniel Beller da Universidade Johns Hopkins nos EUA está cautelosamente impressionado: “Gosto muito deste artigo”, diz ele; “Eu acho que é potencialmente muito significativo.” Ele observa as alegações que foram avançadas para as habilidades dos computadores quânticos de executar algoritmos usando muitos recursos ou muito tempo para torná-los viáveis em um computador clássico e diz que “este trabalho propõe que esses conceitos possam ser testáveis e aqueles computacionais acelerações alcançáveis em um sistema que não depende de temperaturas muito frias ou impedindo a decoerência quântica”. Ele acrescenta “é uma grande demonstração teórica e computacional que, porque a física é no fundo uma ciência experimental, deve ser verificada em seguida por experimentos”. Ele adverte, por exemplo, que realizar algumas das suposições usadas no modelo, como que os defeitos permanecem parados enquanto o cristal líquido flui em torno deles, exigirá “algumas considerações de projeto nos experimentos”.
