Forskere udvikler en kvanteprocessor til at efterligne et lille organisk molekyle

Et hold af kvantecomputerfysikere ved UNSW Sydney har konstrueret en kvanteprocessor på atomær skala til at simulere opførselen af ​​et lille organisk molekyle, og løse en udfordring, der blev stillet for omkring 60 år siden af ​​den teoretiske fysiker Richard Feynman.

Præstationen, der fandt sted to år før tidsplanen, repræsenterer en stor milepæl i kapløbet om at bygge verdens første kvantecomputer og demonstrerer holdets evne til at kontrollere kvantetilstandene af elektroner og atomer i silicium på et udsøgt niveau, der ikke er opnået før.

I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature , beskrev forskerne, hvordan de var i stand til at efterligne strukturen og energitilstandene af den organiske forbindelse polyacetylen - en gentagende kæde af kulstof- og brintatomer, der skelnes af skiftende enkelt- og dobbeltbindinger af kulstof.

Ledende forsker og tidligere australier, Scientia-professor Michelle Simmons, sagde, at holdet hos Silicon Quantum Computing, en af ​​UNSWs mest spændende opstartsvirksomheder, byggede et kvanteintegreret kredsløb bestående af en kæde af 10 kvanteprikker for at simulere den præcise placering af atomer i polyacetylenkæden.

"Hvis du går tilbage til 1950'erne, sagde Richard Feynman, at du ikke kan forstå, hvordan naturen fungerer, medmindre du kan bygge stof i samme længdeskala," sagde prof. Simmons.

"Og det er det, vi gør, vi bygger det bogstaveligt talt nedefra og op, hvor vi efterligner polyacetylen-molekylet ved at sætte atomer i silicium med de nøjagtige afstande, der repræsenterer de enkelte og dobbelte carbon-carbon-bindinger."

Kædereaktion

Forskningen byggede på måling af den elektriske strøm gennem en bevidst konstrueret 10-kvanteprikker-replika af polyacetylenmolekylet, da hver ny elektron passerede fra enhedens kildeudgang til afløbet - den anden ende af kredsløbet.

For at være dobbelt sikker simulerede de to forskellige strenge af polymerkæderne.

I den første enhed skar de et udsnit af kæden for at efterlade dobbeltbindinger i enden, hvilket giver 10 toppe i strømmen. I den anden enhed skærer de et andet udsnit af kæden for at efterlade enkeltbindinger i enden, hvilket kun giver anledning til to toppe i strømmen. Strømmen, der passerer gennem hver kæde, var derfor dramatisk forskellig på grund af de forskellige bindingslængder af atomerne i enden af ​​kæden.

Målingerne matchede ikke kun de teoretiske forudsigelser, de matchede perfekt.

"Det, det viser, er, at du bogstaveligt talt kan efterligne, hvad der faktisk sker i det rigtige molekyle. Og det er derfor, det er spændende, fordi signaturerne af de to kæder er meget forskellige," sagde prof. Simmons.

"De fleste af de andre kvantecomputerarkitekturer derude har ikke evnen til at konstruere atomer med sub-nanometer præcision eller tillade atomerne at sidde så tæt.

"Og det betyder, at vi nu kan begynde at forstå flere og mere komplicerede molekyler baseret på at sætte atomerne på plads, som om de efterligner det virkelige fysiske system."

Stående ved kanten

Ifølge prof. Simmons var det ikke tilfældigt, at en kulstofkæde på 10 atomer blev valgt, fordi den ligger inden for størrelsesgrænsen for, hvad en klassisk computer er i stand til at beregne, med op til 1024 separate interaktioner af elektroner i det system. Hvis du øger det til en kæde på 20 prikker, vil antallet af mulige interaktioner stige eksponentielt, hvilket gør det vanskeligt for en klassisk computer at løse.

"Vi er tæt på grænsen for, hvad klassiske computere kan, så det er som at træde ud af kanten ud i det ukendte," siger hun.

"Og det er det, der er spændende, vi kan nu lave større enheder, der er ud over, hvad en klassisk computer kan modellere. Så vi kan se på molekyler, der ikke er blevet simuleret før. Vi vil være i stand til at forstå verden på en anden måde, idet vi adresserer grundlæggende spørgsmål, som vi aldrig har været i stand til at løse før."

Et af de spørgsmål, Prof. Simmons hentydede til, handler om at forstå og efterligne fotosyntese – hvordan planter bruger lys til at skabe kemisk energi til vækst. Eller at forstå, hvordan man optimerer designet af katalysatorer, der bruges til gødning, som i øjeblikket er en højenergi- og højomkostningsproces.

"Så der er enorme konsekvenser for grundlæggende at forstå, hvordan naturen fungerer," sagde hun.

Fremtidige kvantecomputere

Der er skrevet meget om kvantecomputere i de sidste tre årtier, hvor milliardspørgsmålet altid er "men hvornår kan vi se en?"

Prof. Simmons siger, at udviklingen af ​​kvantecomputere er på en sammenlignelig bane med, hvordan klassiske computere udviklede sig - fra en transistor i 1947 til et integreret kredsløb i 1958 og derefter små computerchips, der gik ind i kommercielle produkter som regnemaskiner cirka fem år efter det. .

"Og så vi kopierer nu den køreplan for kvantecomputere," siger prof. Simmons.

"Vi startede med en enkelt atomtransistor i 2012. Og dette seneste resultat, realiseret i 2021, svarer til det atom-skala kvanteintegrerede kredsløb, to år frem i tiden. Hvis vi kortlægger det til udviklingen af ​​klassisk databehandling, vil vi" om at forudsige, at vi skulle have en form for kommercielt resultat af vores teknologi om fem år."

En af fordelene, som UNSW/SQC-teamets forskning bringer, er, at teknologien er skalerbar, fordi den formår at bruge færre komponenter i kredsløbet til at styre qubits - de grundlæggende bits af kvanteinformation.

"I kvantesystemer har du brug for noget, der skaber qubits, en form for struktur i enheden, der giver dig mulighed for at danne kvantetilstanden," siger prof. Simmons.

"I vores system skaber atomerne selv qubits, der kræver færre elementer i kredsløbene. Vi havde kun brug for seks metalliske porte til at styre elektronerne i vores 10-punkts system - med andre ord har vi færre porte, end der er aktive enhedskomponenter Hvorimod de fleste kvanteberegningsarkitekturer har brug for næsten det dobbelte antal eller flere af kontrolsystemerne for at flytte elektronerne i qubit-arkitekturen."

Behov for færre komponenter pakket tæt sammen minimerer mængden af ​​enhver interferens med kvantetilstandene, hvilket gør det muligt at opskalere enheder for at lave mere komplekse og kraftfulde kvantesystemer.

"Så den meget lave fysiske porttæthed er også meget spændende for os, fordi det viser, at vi har dette pæne rene system, som vi kan manipulere, og som holder sammenhæng på tværs af lange afstande med minimal overhead i portene. Derfor er det værdifuldt for skalerbar kvanteberegning."

Ser fremad, vil prof. Simmons og hendes kolleger udforske større forbindelser, som måske er blevet forudsagt teoretisk, men som aldrig er blevet simuleret og fuldt ud forstået før, såsom højtemperatursuperledere. + Udforsk yderligere

Fejlfri kvanteberegning bliver ægte