Các khiếm khuyết cấu trúc liên kết trong tinh thể lỏng tương tự về mặt toán học với các bit lượng tử, các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã chỉ ra về mặt lý thuyết. Nếu một hệ thống dựa trên nguyên lý này có thể được triển khai trong thực tế, thì nhiều ưu điểm của máy tính lượng tử có thể được hiện thực hóa trong một mạch điện cổ điển – tránh được những thách thức đáng kể mà những người đang cố gắng phát triển máy tính lượng tử thực tế phải đối mặt.
Tinh thể lỏng nematic là các phân tử hình que có xu hướng xếp thẳng hàng với nhau và sự liên kết của chúng có thể được điều khiển bằng điện trường. Chúng được sử dụng trong các hệ thống hiển thị được tìm thấy rộng rãi trong điện thoại di động, đồng hồ và các thiết bị điện tử khác. Các khiếm khuyết cấu trúc liên kết xảy ra trong các tinh thể lỏng nematic nơi sự liên kết thay đổi. Sự giống nhau của các hệ thống này với thế giới lượng tử đã được biết đến từ lâu. Năm 1991, Pierre-Gilles de Gennes đoạt giải Nobel Vật lý vì nhận ra rằng vật lý của chất siêu dẫn cũng có thể được áp dụng cho các khuyết tật trong tinh thể lỏng.
Bây giờ, các nhà toán học ứng dụng Žiga Kos và Jörn Dunkel của Viện Công nghệ Massachusetts đã xem xét liệu tinh thể lỏng nematic có thể tỏ ra hữu ích như một nền tảng điện toán mới hay không.
Không gian trạng thái có chiều cao hơn
Dunkel nói: “Tất cả chúng ta đều biết và sử dụng máy tính kỹ thuật số, và từ rất lâu rồi, mọi người đã nói về các chiến lược thay thế như máy tính dựa trên chất lỏng hoặc hệ thống lượng tử có không gian trạng thái nhiều chiều hơn để bạn có thể lưu trữ nhiều thông tin hơn”. “Nhưng sau đó là câu hỏi làm thế nào để truy cập nó và làm thế nào để thao túng nó.”
Google và IBM đã sản xuất máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử siêu dẫn (qubit), cần nhiệt độ đông lạnh để ngăn chặn sự mất kết hợp, trong khi Honeywell và IonQ đã sử dụng các ion bị bẫy, đòi hỏi tia laser siêu ổn định để thực hiện các hoạt động cổng giữa các ion trong bẫy điện. Cả hai đều đã đạt được tiến bộ đáng kể và các giao thức khác như qubit nguyên tử trung tính đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Tuy nhiên, tất cả những điều này đều sử dụng các giao thức phức tạp, chuyên môn cao mà không được triển khai trong các hệ thống tinh thể lỏng.
Trong công trình mới của họ, các nhà nghiên cứu chứng minh rằng, mặc dù cơ sở vật lý là khác nhau, nhưng người ta có thể rút ra sự tương đồng về mặt toán học giữa hoạt động của một khiếm khuyết tôpô trong tinh thể lỏng và hoạt động của một qubit. Do đó, về mặt lý thuyết, có thể xử lý các “n-bit” (bit nmatic) này, như các nhà nghiên cứu đã gọi chúng, như thể chúng là qubit – và sử dụng chúng để thực thi các thuật toán điện toán lượng tử, mặc dù vật lý thực tế chi phối hành vi của chúng có thể được giải thích một cách cổ điển.
Ngoài điện toán cổ điển
Hoặc ít nhất, đó là kế hoạch. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các n-bit đơn lẻ sẽ hoạt động giống hệt như các qubit đơn lẻ và do đó, các cổng n-bit đơn lẻ về mặt lý thuyết tương đương với các cổng qubit đơn lẻ: “Có những cổng khác trong điện toán lượng tử hoạt động trên nhiều qubit,” Dunkel giải thích, “ và những thứ này cần thiết cho tính toán lượng tử phổ quát. Đây là những thứ mà hiện tại chúng tôi không có cho các cổng tinh thể lỏng.” Tuy nhiên, Dunkel nói, “chúng ta có thể làm những việc vượt xa khả năng tính toán cổ điển”.
Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục công việc lý thuyết của họ với hy vọng hiểu rõ hơn về ánh xạ toán học giữa nhiều qubit và nhiều n-bit để xác định mức độ tương tự thực sự gần như thế nào. Họ cũng đang làm việc với các nhà vật lý vật chất mềm đang cố gắng tạo ra những cánh cổng trong phòng thí nghiệm. Dunkel nói: “Chúng tôi hy vọng điều đó sẽ xảy ra trong một hoặc hai năm tới.
Dunkel và Kos mô tả nghiên cứu của họ trong một bài báo đăng trên Những tiến bộ khoa học. Nhà vật lý lý thuyết và tính toán Daniel Beller của Đại học Johns Hopkins ở Mỹ tỏ ra ấn tượng một cách thận trọng: “Tôi thực sự thích bài báo này,” ông nói; “Tôi nghĩ nó có khả năng rất quan trọng.” Ông lưu ý những tuyên bố đã được nâng cao về khả năng của máy tính lượng tử trong việc chạy các thuật toán sử dụng quá nhiều tài nguyên hoặc quá lâu để làm cho chúng khả thi trên máy tính cổ điển và nói rằng “công trình này đề xuất rằng những khái niệm đó có thể được kiểm tra và những khái niệm tính toán đó có thể được kiểm tra.” có thể đạt được tốc độ tăng tốc trong một hệ thống không phụ thuộc vào nhiệt độ quá lạnh hoặc ngăn chặn sự mất kết hợp lượng tử”. Ông nói thêm “đó là một minh chứng lý thuyết và tính toán tuyệt vời rằng, vì vật lý cốt lõi là một khoa học thực nghiệm nên tiếp theo cần được kiểm tra bằng thực nghiệm.” Ông cảnh báo, chẳng hạn, rằng việc hiện thực hóa một số giả định được sử dụng trong mô hình, chẳng hạn như các khuyết tật vẫn đứng yên trong khi tinh thể lỏng chảy xung quanh chúng sẽ đòi hỏi “một số cân nhắc về thiết kế trong các thí nghiệm”.
