数学家说,液晶的拓扑缺陷类似于量子位

缺陷位：沿缺陷线表示两个n位（以黑色显示）。显示了由液晶组成的棒状分子的方向。（来源：igaKos和JrnDunkel/科学进步）

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美国研究人员在理论上表明，液晶的拓扑缺陷在数学上类似于量子位。如果基于这一原理的系统可以在实践中实现，量子计算机的许多优势可以在经典电路中实现——避免那些试图开发实用量子计算机的人所面临的巨大挑战。

线体液晶是棒状分子，倾向于相互对齐，其对齐可以通过电场操纵。它们用于手机、手表和其他电子小工具中广泛分布的显示系统。拓扑缺陷发生在对齐变化的线状液晶中。这些系统与量子世界的相似性我们已经知道了一段时间。年，Pierre-GillesdeGennes因意识到超导体物理学也可以应用于液晶缺陷而获得诺贝尔物理学奖。

现在，麻省理工学院的应用数学家igaKos和JrnDunkel研究了线性液晶是否可以证明是一个新颖的计算平台。

高维状态空间

“我们都知道并使用数字计算机，长期以来，人们一直在谈论替代策略，如基于液体的计算机或具有更高维度状态空间的量子系统，以便你可以存储更多信息。”“但接下来还有如何访问它以及如何操纵它的问题。”

谷歌和IBM使用超导量子位（量子比特）生产了量子计算机，这些量子比特需要低温温度来防止脱相干，而霍尼韦尔和IonQ则使用捕获的离子，这需要超稳定的激光来在电阱中的离子之间进行栅极操作。两者都取得了显著进展，其他协议，如中性原子量子比特，正处于早期开发阶段。然而，所有这些都采用了高度专业化、微妙的协议，这些协议没有在液晶系统中实现。

在他们的新工作中，研究人员证明，尽管物理学不同，但可以在液晶中拓扑缺陷的行为和量子位的行为之间进行数学类比。因此，理论上可以像研究人员所说的那样对待这些“n位”（坏意义位），就像对待量子位一样——并使用它们来执行量子计算算法，即使支配其行为的实际物理学可以经典地解释。

超越经典计算

或者至少，这就是计划。研究人员证明，单个n位的行为应该与单个量子比特完全相同，因此单个n位门在理论上等同于单个量子位门：量子计算中还有其他在多个量子位上运行的门，这些门是通用量子计算所必需的。这些是我们目前没有的液晶门。尽管如此，“我们可以做一些超越经典计算的事情。”

研究人员正在继续他们的理论工作，希望更好地了解多个量子位和多个n位之间的数学映射，以确定类比到底有多接近。他们还与试图在实验室建造大门的软物质物理学家合作。“希望这种情况能在未来一两年内发生。”

Dunkel和Kos在《科学进步》的一篇论文中描述了他们的研究。美国约翰·霍普金斯大学的理论和计算物理学家丹尼尔·贝勒表示：他真的很喜欢这篇论文，他认为它可能非常重要。量子计算机使用太多资源或时间太长无法在经典计算机上运行算法的能力已经提出的说法，并表示“这项工作提出的，在一个不依赖非常寒冷的温度或防止量子去相干的系统中，这些概念可能是可测试的，而这些计算加速可以实现的。”“这是一个很好的理论和计算证明，因为物理学本质上是一门实验科学，接下来应该通过实验来检查。”例如，实现模型中使用的一些假设，例如当液晶在它们周围流动时，缺陷保持不动，将需要“在实验中进行一些设计考虑”。

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