Topologiska defekter i flytande kristaller är matematiskt analoga med kvantbitar, har forskare i USA visat teoretiskt. Om ett system baserat på denna princip kunde implementeras i praktiken, skulle många av fördelarna med kvantdatorer kunna realiseras i en klassisk krets – undvika de avsevärda utmaningar som de som försöker utveckla praktiska kvantdatorer står inför.
Nematiska flytande kristaller är stavformade molekyler som tenderar att hamna i linje med varandra och vars inriktning kan manipuleras av elektriska fält. De används i displaysystem som finns brett i mobiltelefoner, klockor och andra elektroniska prylar. Topologiska defekter förekommer i nematiska flytande kristaller där inriktningen förändras. Likheten mellan dessa system och kvantvärlden har varit känd sedan en tid tillbaka. 1991, Pierre-Gilles de Gennes vann Nobelpriset i fysik för sin insikt om att superledarnas fysik också kunde tillämpas på defekter i flytande kristaller.
Nu tillämpade matematiker Žiga Kos och Jörn Dunkel vid Massachusetts Institute of Technology har tittat på om nematiska flytande kristaller kan visa sig vara användbara som en ny datorplattform.
Högre dimensionellt tillståndsutrymme
"Vi känner alla till och använder digitala datorer, och under mycket lång tid vet att folk har pratat om alternativa strategier som vätskebaserade datorer eller kvantsystem som har ett högre dimensionellt tillståndsutrymme så att du kan lagra mer information", säger Dunkel. "Men sedan är det frågan om hur man kommer åt det och hur man manipulerar det."
Google och IBM har producerat kvantdatorer med supraledande kvantbitar (qubits), som behöver kryogena temperaturer för att förhindra dekoherens, medan Honeywell och IonQ har använt fångade joner, som kräver ultrastabila lasrar för att utföra grindoperationer mellan joner i elektriska fällor. Båda har gjort anmärkningsvärda framsteg, och andra protokoll som neutrala atomqubits befinner sig i tidigare utvecklingsstadier. Alla dessa använder emellertid mycket specialiserade, känsliga protokoll som inte är implementerade i flytande kristallsystem.
I sitt nya arbete visar forskarna att även om fysiken är annorlunda kan man dra en matematisk analogi mellan beteendet hos en topologisk defekt i en flytande kristall och beteendet hos en qubit. Det är därför teoretiskt möjligt att behandla dessa "n-bitar" (nematiska bitar), som forskarna har kallat dem, som om de vore qubits - och att använda dem för att exekvera kvantberäkningsalgoritmer, även om den faktiska fysiken som styr deras beteende kan förklaras klassiskt.
Bortom klassisk datoranvändning
Eller åtminstone, det är planen. Forskarna visade att enstaka n-bitar borde bete sig exakt som enstaka qubits, och därför att enstaka n-bitars grindar teoretiskt sett var likvärdiga med enstaka qubit-grindar: "Det finns andra grindar inom kvantberäkning som fungerar på flera qubits," förklarar Dunkel, " och dessa behövs för universell kvantberäkning. Dessa är något vi inte har för tillfället för flytande kristallportarna.” Ändå, säger Dunkel, "kan vi göra saker som går utöver klassisk datoranvändning."
Forskarna fortsätter sitt teoretiska arbete i hopp om att få en bättre förståelse för den matematiska kartläggningen mellan multipla qubits och multipla n-bitar för att fastställa hur nära analogin verkligen är. De arbetar också med mjukmateriafysiker som försöker skapa grindarna i laboratoriet. "Vi hoppas att det kommer att hända under de kommande ett eller två åren", säger Dunkel.
Dunkel och Kos beskriver sin studie i en artikel i Vetenskap Förskott. Teoretisk och beräkningsfysiker Daniel Beller från Johns Hopkins University i USA är försiktigt imponerad: "Jag gillar verkligen den här uppsatsen", säger han; "Jag tror att det är potentiellt mycket betydelsefullt." Han noterar de påståenden som har framförts för kvantdatorers förmåga att köra algoritmer med alldeles för många resurser eller mycket för lång tid för att göra dem genomförbara på en klassisk dator och säger att "det här arbetet föreslår att dessa koncept kan vara testbara och de beräkningsbara snabbare uppnåbara i ett system som inte är beroende av mycket kalla temperaturer eller förhindrar kvantdekoherens”. Han tillägger "det är en fantastisk teoretisk och beräkningsdemonstration som, eftersom fysiken i grunden är en experimentell vetenskap, sedan bör kontrolleras genom experiment." Han varnar till exempel för att förverkliga några av de antaganden som används i modellen, som att defekterna förblir stilla medan de flytande kristallerna strömmar runt dem kommer att kräva "vissa designöverväganden i experimenten".
