Udvikling af en ny tilgang til at bygge kvantecomputere

Kvantecomputere har, selvom de stadig er i sine tidlige dage, potentialet til dramatisk at øge processorkraften ved at udnytte partiklernes mærkelige adfærd i de mindste skalaer. Nogle forskergrupper har allerede rapporteret at udføre beregninger, der ville tage en traditionel supercomputer tusinder af år. På lang sigt kunne kvantecomputere levere ubrydelig kryptering og simuleringer af naturen ud over nutidens muligheder.

Et UCLA-ledet tværfagligt forskerhold inklusive samarbejdspartnere ved Harvard University har nu udviklet en fundamentalt ny strategi til at bygge disse computere. Mens den nuværende state of the art anvender kredsløb, halvledere og andre værktøjer inden for elektroteknik, har holdet udarbejdet en spilleplan baseret på kemikeres evne til at specialdesigne atomare byggeklodser, der kontrollerer egenskaberne af større molekylære strukturer, når de lægges sammen.

Resultaterne blev offentliggjort i sidste uge i Nature Chemistry , kunne i sidste ende føre til et spring i kvanteprocessorkraft.

"Ideen er, i stedet for at bygge en kvantecomputer, at lade kemien bygge den for os," sagde Eric Hudson, UCLAs David S. Saxon præsidentielle professor i fysik og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Alle af os lærer stadig reglerne for denne type kvanteteknologi, så dette arbejde er meget sci-fi lige nu."

De grundlæggende informationsenheder i traditionel databehandling er bits, som hver er begrænset til en af ​​kun to værdier. I modsætning hertil kan en gruppe af kvantebits – eller qubits – have et meget bredere spektrum af værdier, hvilket eksponentielt øger en computers processorkraft. Der kræves mere end 1.000 normale bits for at repræsentere kun 10 qubits, mens 20 qubits kræver mere end 1 million bits.

Denne egenskab, der er kernen i kvanteberegningens transformationspotentiale, afhænger af de kontraintuitive regler, der gælder, når atomer interagerer. For eksempel, når to partikler interagerer, kan de blive forbundet eller viklet sammen, så måling af egenskaberne for den ene bestemmer egenskaberne for den anden. Entangling af qubits er et krav til kvanteberegning.

Denne sammenfiltring er imidlertid skrøbelig. Når qubits støder på subtile variationer i deres miljøer, mister de deres "kvantestyrke", som er nødvendig for at implementere kvantealgoritmer. Dette begrænser de mest kraftfulde kvantecomputere til færre end 100 qubits, og at holde disse qubits i en kvantetilstand kræver store stykker maskineri.

For at anvende kvanteberegning praktisk, skal ingeniører opskalere denne processorkraft. Hudson og hans kolleger mener, at de har taget et første skridt med undersøgelsen, hvor teorien guidede holdet til at skræddersy molekyler, der beskytter kvanteadfærd.

Forskerne udviklede små molekyler, der inkluderer calcium- og oxygenatomer og fungerer som qubits. Disse calcium-ilt-strukturer danner, hvad kemikere kalder en funktionel gruppe, hvilket betyder, at den kan sættes ind i næsten ethvert andet molekyle, samtidig med at det giver dets egne egenskaber til det molekyle.

Holdet viste, at deres funktionelle grupper bevarede deres ønskede struktur, selv når de var knyttet til meget større molekyler. Deres qubits kan også modstå laserkøling, et nøglekrav til kvanteberegning.

"Hvis vi kan binde en kvantefunktionel gruppe til en overflade eller et langt molekyle, kan vi muligvis kontrollere flere qubits," sagde Hudson. "Det burde også være billigere at opskalere, for et atom er en af ​​de billigste ting i universet. Du kan lave lige så mange, du vil."

In addition to its potential for next-generation computing, the quantum functional group could be a boon for basic discovery in chemistry and the life sciences, for instance by helping scientists uncover more about the structure and function of various molecules and chemicals in the human body.

"Qubits can also be exquisitely sensitive tools for measurement," said study co-author Justin Caram, a UCLA assistant professor of chemistry and biochemistry. "If we could protect them so they can survive in complex environments such as biological systems, we would be armed with so much new information about our world."

Hudson said that the development of a chemically based quantum computer could realistically take decades and is not certain to succeed. Future steps include anchoring qubits to larger molecules, coaxing tethered qubits to interact as processors without unwanted signaling, and entangling them so that they work as a system.

The project was seeded by a Department of Energy grant that gave the physicists and chemists the chance to cut through discipline-specific jargon and speak in a common scientific language. Caram also credits UCLA's atmosphere of easy collaboration.

"This is one of the most intellectually fulfilling projects I've ever worked on," he said. "Eric and I first met having lunch at the Faculty Center. This was born out of fun conversations and being open to talking to new people." + Udforsk yderligere

Quantum computer fungerer med mere end nul og én