Топологические дефекты в жидких кристаллах математически аналогичны квантовым битам, теоретически показали американские исследователи. Если бы система, основанная на этом принципе, могла быть реализована на практике, многие преимущества квантовых компьютеров можно было бы реализовать в классической схеме, избегая значительных проблем, с которыми сталкиваются те, кто пытается разработать практические квантовые компьютеры.
Нематические жидкие кристаллы представляют собой молекулы в форме стержней, которые стремятся выровняться друг с другом и выравниванием которых можно управлять с помощью электрических полей. Они используются в системах отображения, которые широко используются в мобильных телефонах, часах и других электронных гаджетах. Топологические дефекты возникают в нематических жидких кристаллах, где изменяется ориентация. Сходство этих систем с квантовым миром было известно давно. В 1991 г. Пьер-Жиль де Женн получил Нобелевскую премию по физике за понимание того, что физика сверхпроводников может также применяться к дефектам в жидких кристаллах.
Теперь прикладные математики Жига Кос и Йорн Дункель из Массачусетского технологического института изучили, могут ли нематические жидкие кристаллы оказаться полезными в качестве новой вычислительной платформы.
Пространство состояний более высокого измерения
«Мы все знаем и используем цифровые компьютеры, и в течение очень долгого времени люди говорили об альтернативных стратегиях, таких как жидкостные компьютеры или квантовые системы, которые имеют многомерное пространство состояний, чтобы вы могли хранить больше информации», — говорит Дункель. «Но тогда возникает вопрос, как получить к нему доступ и как им манипулировать».
Google и IBM создали квантовые компьютеры, использующие сверхпроводящие квантовые биты (кубиты), которым для предотвращения декогеренции нужны криогенные температуры, тогда как Honeywell и IonQ использовали захваченные ионы, для которых требуются сверхстабильные лазеры для выполнения вентильных операций между ионами в электрических ловушках. Оба добились значительного прогресса, а другие протоколы, такие как кубиты нейтральных атомов, находятся на более ранних стадиях разработки. Однако все они используют узкоспециализированные, деликатные протоколы, которые не реализованы в жидкокристаллических системах.
В своей новой работе исследователи демонстрируют, что, хотя физика отличается, можно провести математическую аналогию между поведением топологического дефекта в жидком кристалле и поведением кубита. Следовательно, теоретически возможно рассматривать эти «n-биты» (нематические биты), как их назвали исследователи, как если бы они были кубитами, и использовать их для выполнения алгоритмов квантовых вычислений, даже несмотря на то, что реальная физика, управляющая их поведением, может объясняться классически.
Помимо классических вычислений
По крайней мере, таков план. Исследователи продемонстрировали, что одиночные n-биты должны вести себя точно так же, как одиночные кубиты, и, следовательно, одиночные n-битные вентили теоретически эквивалентны однокубитным вентилям: «В квантовых вычислениях есть другие вентили, которые работают с несколькими кубитами, — объясняет Дункель, — и они необходимы для универсальных квантовых вычислений. Это то, чего у нас пока нет для жидкокристаллических ворот». Тем не менее, говорит Дункель, «мы можем делать вещи, выходящие за рамки классических вычислений».
Исследователи продолжают свою теоретическую работу в надежде лучше понять математическое сопоставление между несколькими кубитами и несколькими n-битами, чтобы установить, насколько близка аналогия на самом деле. Они также работают с физиками мягкой материи, которые пытаются создать ворота в лаборатории. «Мы надеемся, что это произойдет в течение следующих одного или двух лет», — говорит Дункель.
Дункель и Кос описывают свое исследование в статье в Наука развивается. Физик-теоретик и вычислительная техника Дэниел Беллер из Университета Джона Хопкинса в США осторожно впечатлен: «Мне очень нравится эта статья, — говорит он; «Я думаю, что это потенциально очень важно». Он отмечает выдвинутые утверждения о способности квантовых компьютеров запускать алгоритмы, используя слишком много ресурсов или слишком долго, чтобы сделать их реализуемыми на классическом компьютере, и говорит, что «эта работа предполагает, что эти концепции могут быть проверены, а вычислительные ускорения, достижимые в системе, которая не зависит от очень низких температур или предотвращения квантовой декогеренции». Он добавляет: «Это великолепная теоретическая и вычислительная демонстрация того, что, поскольку физика по своей сути является экспериментальной наукой, она должна быть затем проверена экспериментом». Он предупреждает, например, что реализация некоторых допущений, используемых в модели, таких как то, что дефекты остаются неподвижными, пока жидкий кристалл обтекает их, потребует «некоторых конструктивных соображений в экспериментах».
