RW Space

Австралийские ученые создали первую в мире схему квантового компьютера, которая содержит все основные компоненты классического компьютерного чипа, но в квантовом масштабе.

Историческое открытие, опубликованное сегодня в журнале Nature, готовилось девять лет.

«Это самое захватывающее открытие в моей карьере», — сказала ScienceAlert старший автор и квантовый физик Мишель Симмонс, основатель Silicon Quantum Computing и директор Центра передового опыта квантовых вычислений и коммуникационных технологий UNSW.

Симмонс и ее команда не только создали то, что по сути является функциональным квантовым процессором, но и успешно протестировали его, смоделировав небольшую молекулу, в которой каждый атом имеет несколько квантовых состояний, чего традиционный компьютер с трудом мог бы достичь.

Это говорит о том, что теперь мы на шаг ближе к тому, чтобы, наконец, использовать мощность квантовой обработки, чтобы лучше понимать окружающий мир, даже в самом маленьком масштабе.

«В 1950-х годах Ричард Фейнман сказал, что мы никогда не поймем, как устроен мир — как устроена природа — если мы не сможем начать делать это в том же масштабе», — сказал Симмонс ScienceAlert.

«Если мы сможем начать понимать материалы на этом уровне, мы сможем создавать вещи, которые никогда раньше не производились.

«Вопрос в том, как вы на самом деле контролируете природу на этом уровне. уровне?»

Последнее изобретение последовало за созданием командой первого квантового транзистора в 2012 году. 

(Транзистор – это небольшое устройство, управляющее электронными сигналами и являющееся лишь частью компьютерная схема. Интегральная схема более сложна, так как она объединяет множество транзисторов.)

Чтобы совершить скачок в области квантовых вычислений, исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп в сверхвысоком вакууме, чтобы поместить квантовые точек с субнанометровой точностью.

Размещение каждой квантовой точки должно быть правильным, чтобы схема могла имитировать скачок электронов вдоль цепочки атомов углерода с одинарной и двойной связью в молекуле полиацетилена. 

Сложнее всего было выяснить: сколько именно атомов фосфора должно быть в каждой квантовой точке; как далеко друг от друга не должно быть; а затем разработать машину, которая могла бы разместить крошечные точки в кремниевом чипе в точном порядке.

Если квантовые точки слишком велики, взаимодействие между двумя точками становится «слишком большим, чтобы управлять ими независимо». , говорят исследователи.

Если точки слишком малы, это вносит случайность, потому что каждый лишний атом фосфора может существенно изменить количество энергии, необходимое для добавления еще одного электрона к точке.

Окончательный квантовый чип содержал 10 квантовых точек, каждая из которых состояла из небольшого числа атомов фосфора.

Двойные углеродные связи моделировались путем установления меньшего расстояния между квантовыми точками, чем одинарного углерода. связей.

Полиацетилен был выбран потому, что это хорошо известная модель, и поэтому ее можно использовать для доказательства того, что компьютер правильно моделирует движение электронов в молекуле.

Квантовые компьютеры необходим, потому что классические компьютеры не могут моделировать большие молекулы; они просто слишком сложны.

Например, чтобы смоделировать молекулу пенициллина с 41 атомом, классическому компьютеру потребуется 10⁸⁶ транзисторов, то есть «транзисторов больше, чем атомов в наблюдаемой области». вселенная».

Для квантового компьютера потребуется только процессор с 286 кубитами (квантовыми битами).

Поскольку ученые в настоящее время имеют ограниченное представление о том, как молекулы функционируют в атомном масштабе, при создании новых материалов существует множество предположений.

«Одним из святых Граалей всегда было создание высокотемпературного сверхпроводника, — говорит Симмонс. «Люди просто не знают механизма того, как это работает».

Еще одним потенциальным применением квантовых вычислений является изучение искусственного фотосинтеза и того, как свет преобразуется в химическую энергию посредством органической цепи реакций.

Еще одна большая проблема, которую квантовые компьютеры могут помочь решить, — это создание удобрений. Тройные азотные связи в настоящее время разрушаются в условиях высокой температуры и давления в присутствии железного катализатора для создания связанного азота для удобрения.

Поиск другого катализатора, который может сделать удобрение более эффективным, может сэкономить много денег и энергия.

Симмонс говорит, что достижение перехода от квантового транзистора к схеме всего за девять лет имитирует дорожную карту, установленную изобретателями классических компьютеров.

Первый классический компьютерный транзистор был создан в 1947 году. Первая интегральная схема была построена в 1958 г. Между этими двумя изобретениями было 11 лет; Команда Симмонса совершила этот скачок на два года раньше запланированного срока.

Эта статья была опубликована в Nature.