Topološke napake v tekočih kristalih so matematično analogne kvantnim bitom, so teoretično pokazali raziskovalci v ZDA. Če bi sistem, ki temelji na tem principu, lahko izvajali v praksi, bi lahko številne prednosti kvantnih računalnikov uresničili v klasičnem vezju – s čimer bi se izognili velikim izzivom, s katerimi se soočajo tisti, ki poskušajo razviti praktične kvantne računalnike.
Nematski tekoči kristali so paličaste molekule, ki se nagibajo k poravnavi druga z drugo in katerih poravnavo lahko spreminjajo električna polja. Uporabljajo se v zaslonskih sistemih, ki jih najdemo v mobilnih telefonih, urah in drugih elektronskih pripomočkih. Topološke napake se pojavijo v nematskih tekočih kristalih, kjer se spremeni poravnava. Podobnost teh sistemov s kvantnim svetom je znana že nekaj časa. Leta 1991, Pierre-Gilles de Gennes je prejel Nobelovo nagrado za fiziko za svoje spoznanje, da bi lahko fiziko superprevodnikov uporabili tudi za napake v tekočih kristalih.
Zdaj sta uporabna matematika Žiga Kos in Jörn Dunkel z Massachusetts Institute of Technology so preučevali, ali bi se nematski tekoči kristali lahko izkazali za uporabne kot nova računalniška platforma.
Višjedimenzionalni prostor stanja
»Vsi poznamo in uporabljamo digitalne računalnike in že zelo dolgo vemo, da ljudje govorijo o alternativnih strategijah, kot so računalniki na osnovi tekočine ali kvantni sistemi, ki imajo večdimenzionalni prostor stanj, tako da lahko shranite več informacij,« pravi Dunkel. "Toda potem je tu še vprašanje, kako do njega dostopati in kako z njim manipulirati."
Google in IBM sta izdelala kvantne računalnike z uporabo superprevodnih kvantnih bitov (qubits), ki potrebujejo kriogene temperature, da preprečijo dekoherenco, medtem ko sta Honeywell in IonQ uporabila ujete ione, ki zahtevajo ultra stabilne laserje za izvajanje operacij vrat med ioni v električnih pasteh. Oba sta dosegla izjemen napredek, drugi protokoli, kot so nevtralni atomski kubiti, pa so v zgodnejših fazah razvoja. Vsi ti pa uporabljajo visoko specializirane, občutljive protokole, ki niso implementirani v sistemih tekočih kristalov.
V svojem novem delu raziskovalci dokazujejo, da je mogoče, čeprav je fizika drugačna, potegniti matematično analogijo med obnašanjem topološke napake v tekočem kristalu in obnašanjem kubita. Zato je teoretično mogoče obravnavati te "n-bite" (nematske bite), kot so jih poimenovali raziskovalci, kot da bi bili kubiti - in jih uporabiti za izvajanje kvantnih računalniških algoritmov, čeprav lahko dejanska fizika, ki ureja njihovo vedenje, pojasniti klasično.
Onkraj klasičnega računalništva
Ali vsaj tak je načrt. Raziskovalci so dokazali, da bi se morali posamezni n-biti obnašati natanko tako kot posamezni kubiti in zato so bila enojna n-bitna vrata teoretično enakovredna enojnim kubitnim vratom: "V kvantnem računalništvu obstajajo druga vrata, ki delujejo na več kubitih," pojasnjuje Dunkel, " in ti so potrebni za univerzalno kvantno računalništvo. Teh trenutno nimamo za vrata s tekočimi kristali.« Kljub temu, pravi Dunkel, "lahko delamo stvari, ki presegajo klasično računalništvo."
Raziskovalci nadaljujejo svoje teoretično delo v upanju, da bodo bolje razumeli matematično preslikavo med več kubiti in več n-biti, da bi ugotovili, kako blizu je v resnici analogija. Sodelujejo tudi s fiziki mehke snovi, ki poskušajo ustvariti vrata v laboratoriju. "Upamo, da se bo to zgodilo v naslednjem letu ali dveh," pravi Dunkel.
Dunkel in Kos opisujeta svojo študijo v članku v Znanost Predplačila. Teoretični in računalniški fizik Daniel Beller Univerze Johns Hopkins v ZDA je previdno navdušen: »Res mi je všeč ta članek,« pravi; "Mislim, da je potencialno zelo pomembno." Opozarja na trditve, ki so bile predstavljene v zvezi z zmožnostmi kvantnih računalnikov za izvajanje algoritmov, ki uporabljajo veliko preveč virov ali veliko predolgo, da bi bili izvedljivi na klasičnem računalniku, in pravi, da »to delo nakazuje, da je te koncepte mogoče preizkusiti, tiste računske pospešitve, ki jih je mogoče doseči v sistemu, ki ni odvisen od zelo nizkih temperatur ali preprečuje kvantno dekoherenco«. Dodaja, da je "to odlična teoretična in računalniška predstavitev, ki bi jo bilo treba, ker je fizika v srcu eksperimentalna znanost, nato preveriti z eksperimentom." Opozarja, na primer, da bo uresničevanje nekaterih predpostavk, uporabljenih v modelu, na primer, da napake ostanejo mirne, medtem ko tekoči kristal teče okoli njih, zahtevalo "nekaj načrtovanja v poskusih".
