Дослідники з США теоретично показали, що топологічні дефекти в рідких кристалах математично аналогічні квантовим бітам. Якби систему, засновану на цьому принципі, можна було б реалізувати на практиці, багато переваг квантових комп’ютерів можна було б реалізувати в класичній схемі – уникаючи значних проблем, з якими стикаються ті, хто намагається розробити практичні квантові комп’ютери.
Нематичні рідкі кристали — це паличкоподібні молекули, які мають тенденцію вишиковуватися одна до одної та вирівнюванням яких можна керувати електричними полями. Вони використовуються в системах відображення, які широко використовуються в мобільних телефонах, годинниках та інших електронних гаджетах. Топологічні дефекти виникають у нематичних рідких кристалах, де змінюється вирівнювання. Подібність цих систем до квантового світу була відома вже деякий час. У 1991 році П'єр-Жиль де Жен отримав Нобелівську премію з фізики за усвідомлення того, що фізика надпровідників також може бути застосована до дефектів у рідких кристалах.
Тепер прикладні математики Жига Кос і Йорн Дункель з Массачусетського технологічного інституту дослідили, чи можуть нематичні рідкі кристали виявитися корисними як нова обчислювальна платформа.
Більш вимірний простір станів
«Ми всі знаємо та користуємося цифровими комп’ютерами, і дуже давно знаємо, що люди говорять про альтернативні стратегії, такі як рідинні комп’ютери або квантові системи, які мають більший простір станів, щоб ви могли зберігати більше інформації», — говорить Данкель. Але виникає питання, як отримати до нього доступ і як ним маніпулювати».
Google і IBM виготовили квантові комп’ютери з використанням надпровідних квантових бітів (кубітів), яким потрібна кріогенна температура, щоб запобігти декогерентності, тоді як Honeywell і IonQ використовували захоплені іони, для яких потрібні надстабільні лазери для виконання операцій воріт між іонами в електричних пастках. Обидва досягли значного прогресу, а інші протоколи, такі як нейтральні атомні кубіти, знаходяться на ранніх стадіях розробки. Однак усі вони використовують вузькоспеціалізовані делікатні протоколи, які не реалізовані в рідкокристалічних системах.
У своїй новій роботі дослідники демонструють, що, хоча фізика відрізняється, можна провести математичну аналогію між поведінкою топологічного дефекту в рідкому кристалі та поведінкою кубіта. Тому теоретично можна розглядати ці «n-біти» (нематичні біти), як їх назвали дослідники, як кубіти — і використовувати їх для виконання квантових обчислювальних алгоритмів, навіть якщо фактична фізика, що керує їх поведінкою, може пояснити класично.
За межами класичних обчислень
Або, принаймні, це план. Дослідники продемонстрували, що окремі n-біти повинні поводитися точно так само, як одиничні кубіти, і, отже, одиничні n-бітові вентилі теоретично еквівалентні однокубітним вентилям: «У квантових обчисленнях існують інші ворота, які працюють з декількома кубітами, — пояснює Дункель, — і вони необхідні для універсальних квантових обчислень. Це те, чого ми не маємо на даний момент для рідкокристалічних воріт». Тим не менш, каже Дункель, «ми можемо робити речі, які виходять за рамки класичних обчислень».
Дослідники продовжують свою теоретичну роботу в надії отримати краще розуміння математичного відображення між декількома кубітами та декількома n-бітами, щоб з’ясувати, наскільки аналогія насправді близька. Вони також співпрацюють з фізиками м’якої матерії, які намагаються створити ворота в лабораторії. «Ми сподіваємося, що це станеться протягом наступних одного-двох років», — каже Дункель.
Дункель і Кос описують своє дослідження в статті в Наука розвивається. Фізик-теоретик і обчислювальний Даніель Беллер Університету Джонса Гопкінса в США обережно вражений: «Мені справді подобається ця стаття», — каже він; «Я думаю, що це потенційно дуже значуще». Він звертає увагу на висунуті твердження щодо здатності квантових комп’ютерів запускати алгоритми, використовуючи занадто багато ресурсів або надто довго, щоб зробити їх можливими на класичному комп’ютері, і каже, що «ця робота передбачає, що ці концепції можуть бути перевірені, а ті обчислювальні прискорення, які можна досягти в системі, яка не залежить від дуже низьких температур або запобігання квантової декогеренції». Він додає, що «це чудова теоретична та обчислювальна демонстрація, яка, оскільки фізика в основі своїй є експериментальною наукою, потім повинна бути перевірена експериментом». Він попереджає, наприклад, що реалізація деяких припущень, використаних у моделі, таких як те, що дефекти залишаються нерухомими, поки рідкий кристал обтікає їх, вимагатиме «деяких конструктивних міркувань в експериментах».
