En konstnärs representation visar forskarnas kvantfunktionella grupper (ljust färgade sfärer) som ansluter till större molekyler. Kredit:Stephan Sullivan
Kvantberäkningar, även om de fortfarande är i sina tidiga dagar, har potential att dramatiskt öka processorkraften genom att utnyttja partiklarnas konstiga beteende i de minsta skalorna. Vissa forskargrupper har redan rapporterat att de utför beräkningar som skulle ta en traditionell superdator tusentals år. På lång sikt skulle kvantdatorer kunna ge okrossbar kryptering och simuleringar av naturen utöver dagens möjligheter.
En UCLA-ledd tvärvetenskaplig forskargrupp inklusive medarbetare vid Harvard University har nu utvecklat en fundamentalt ny strategi för att bygga dessa datorer. Medan den nuvarande teknikens ståndpunkt använder kretsar, halvledare och andra verktyg inom elektroteknik, har teamet tagit fram en spelplan baserad på kemisters förmåga att skräddarsy atomära byggstenar som kontrollerar egenskaperna hos större molekylära strukturer när de sätts tillsammans.
Resultaten publicerades förra veckan i Nature Chemistry , kan i slutändan leda till ett språng i kvantprocessorkraft.
"Tanken är, istället för att bygga en kvantdator, att låta kemin bygga den åt oss", säger Eric Hudson, UCLA:s David S. Saxon presidentprofessor i fysik och motsvarande författare till studien. "Alla av oss håller fortfarande på att lära oss reglerna för den här typen av kvantteknologi, så det här arbetet är väldigt sci-fi just nu."
De grundläggande informationsenheterna i traditionell beräkning är bitar, som var och en är begränsad till ett av endast två värden. Däremot kan en grupp av kvantbitar – eller kvantbitar – ha ett mycket bredare värdeområde, vilket exponentiellt ökar en dators processorkraft. Mer än 1 000 normala bitar krävs för att representera bara 10 qubits, medan 20 qubits kräver mer än 1 miljon bitar.
Den egenskapen, i hjärtat av kvantberäkningens transformationspotential, beror på de kontraintuitiva regler som gäller när atomer interagerar. Till exempel, när två partiklar interagerar kan de bli sammanlänkade, eller intrasslade, så att mätning av egenskaperna hos den ena bestämmer egenskaperna hos den andra. Entangling qubits är ett krav för kvantberäkning.
Denna förveckling är dock bräcklig. När qubits stöter på subtila variationer i sina miljöer, förlorar de sin "kvantitet", som behövs för att implementera kvantalgoritmer. Detta begränsar de mest kraftfulla kvantdatorerna till färre än 100 qubits, och att hålla dessa qubits i ett kvanttillstånd kräver stora delar av maskineri.
För att tillämpa kvantberäkning praktiskt måste ingenjörer skala upp den processorkraften. Hudson och hans kollegor tror att de har tagit ett första steg med studien, där teorin vägledde teamet att skräddarsy molekyler som skyddar kvantbeteende.
Forskarna utvecklade små molekyler som inkluderar kalcium- och syreatomer och fungerar som qubits. Dessa kalcium-syrestrukturer bildar vad kemister kallar en funktionell grupp, vilket betyder att den kan pluggas in i nästan vilken annan molekyl som helst samtidigt som den ger den molekylen sina egna egenskaper.
Teamet visade att deras funktionella grupper bibehöll sin önskade struktur även när de var kopplade till mycket större molekyler. Deras qubits kan också stå emot laserkylning, ett nyckelkrav för kvantberäkning.
"Om vi kan binda en kvantfunktionell grupp till en yta eller någon lång molekyl, kanske vi kan kontrollera fler qubits," sa Hudson. "Det borde också vara billigare att skala upp, eftersom en atom är en av de billigaste sakerna i universum. Du kan göra så många du vill."
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." + Utforska vidare
