Defectele topologice ale cristalelor lichide sunt matematic analoge cu biții cuantici, au demonstrat teoretic cercetătorii din SUA. Dacă un sistem bazat pe acest principiu ar putea fi implementat în practică, multe dintre avantajele calculatoarelor cuantice ar putea fi realizate într-un circuit clasic – evitând provocările considerabile cu care se confruntă cei care încearcă să dezvolte calculatoare cuantice practice.
Cristalele lichide nematice sunt molecule în formă de tijă care tind să se alinieze unele cu altele și a căror aliniere poate fi manipulată de câmpuri electrice. Ele sunt utilizate în sistemele de afișare care se găsesc pe scară largă în telefoanele mobile, ceasuri și alte gadget-uri electronice. Defecte topologice apar în cristalele lichide nematice unde alinierea se modifică. Asemănarea acestor sisteme cu lumea cuantică este cunoscută de ceva timp. În 1991, Pierre-Gilles de Gennes a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică pentru că și-a dat seama că fizica supraconductorilor poate fi aplicată și la defectele cristalelor lichide.
Acum, matematicienii aplicați Žiga Kos și Jörn Dunkel de la Massachusetts Institute of Technology au analizat dacă cristalele lichide nematice s-ar putea dovedi utile ca platformă de calcul nouă.
Spațiu de stare dimensional superior
„Cu toții cunoaștem și folosim computere digitale și de foarte mult timp știm că oamenii vorbesc despre strategii alternative, cum ar fi computerele pe bază de lichide sau sistemele cuantice care au un spațiu de stare dimensional mai mare, astfel încât să poți stoca mai multe informații”, spune Dunkel. „Dar apoi există întrebarea cum să-l accesezi și cum să-l manipulezi.”
Google și IBM au produs computere cuantice folosind biți cuantici supraconductori (qubiți), care au nevoie de temperaturi criogenice pentru a preveni decoerența, în timp ce Honeywell și IonQ au folosit ioni prinși, care necesită lasere ultra-stabile pentru a efectua operațiuni de poartă între ioni în capcane electrice. Ambele au făcut progrese remarcabile, iar alte protocoale, cum ar fi qubiții atomici neutri, se află în stadii mai timpurii de dezvoltare. Toate acestea, totuși, folosesc protocoale extrem de specializate, delicate, care nu sunt implementate în sistemele cu cristale lichide.
În noua lor lucrare, cercetătorii demonstrează că, deși fizica este diferită, se poate face o analogie matematică între comportamentul unui defect topologic într-un cristal lichid și comportamentul unui qubit. Prin urmare, teoretic este posibil să se trateze acești „n-biți” (biți nematici), așa cum i-au numit cercetătorii, ca și cum ar fi qubiți – și să îi folosească pentru a executa algoritmi de calcul cuantic, chiar dacă fizica reală care guvernează comportamentul lor poate fi explicat clasic.
Dincolo de calculul clasic
Sau cel puțin, acesta este planul. Cercetătorii au demonstrat că un singur n-biți ar trebui să se comporte exact ca un singur qubit și, prin urmare, că porțile unice de n-biți erau teoretic echivalente cu porțile unice qubit: „Există și alte porți în calculul cuantic care funcționează pe mai mulți qubiți”, explică Dunkel, „ iar acestea sunt necesare pentru calculul cuantic universal. Acestea sunt ceva ce nu avem în acest moment pentru porțile cu cristale lichide.” Cu toate acestea, spune Dunkel, „putem face lucruri care depășesc calculul clasic”.
Cercetătorii își continuă munca teoretică în speranța de a obține o mai bună înțelegere a mapării matematice între mai mulți qubiți și mai mulți n-biți pentru a stabili cât de apropiată este cu adevărat analogia. De asemenea, lucrează cu fizicienii materiei moale care încearcă să creeze porțile în laborator. „Sperăm că acest lucru se va întâmpla în următorii unul sau doi ani”, spune Dunkel.
Dunkel și Kos își descriu studiul într-o lucrare în Avansuri de știință. Fizician teoretic și computațional Daniel Beller de la Universitatea Johns Hopkins din SUA este impresionat cu prudență: „Îmi place foarte mult această lucrare”, spune el; „Cred că este potențial foarte semnificativ.” El observă afirmațiile care au fost avansate pentru abilitățile computerelor cuantice de a rula algoritmi folosind mult prea multe resurse sau mult prea lungi pentru a le face fezabile pe un computer clasic și spune că „această lucrare propune că acele concepte ar putea fi testabile și cele computaționale. accelerări realizabile într-un sistem care nu depinde de temperaturi foarte scăzute sau de prevenire a decoerenței cuantice”. El adaugă „este o mare demonstrație teoretică și computațională care, deoarece fizica este în esență o știință experimentală, ar trebui verificată în continuare prin experiment”. El avertizează, de exemplu, că realizarea unora dintre ipotezele utilizate în model, cum ar fi că defectele rămân nemișcate în timp ce cristalele lichide curg în jurul lor, va necesita „unele considerații de proiectare în experimente”.
