Ett team av kvantdatorfysiker vid UNSW Sydney har konstruerat en kvantprocessor i atomär skala för att simulera beteendet hos en liten organisk molekyl, och lösa en utmaning som den teoretiske fysikern Richard Feynman satte för cirka 60 år sedan.

Prestationen, som inträffade två år före schemat, representerar en stor milstolpe i kapplöpningen om att bygga världens första kvantdator, och visar teamets förmåga att kontrollera kvanttillstånden hos elektroner och atomer i kisel på en utsökt nivå som inte uppnåtts tidigare.

I en artikel publicerad i dag i tidskriften Nature , beskrev forskarna hur de kunde efterlikna strukturen och energitillstånden hos den organiska föreningen polyacetylen – en återkommande kedja av kol- och väteatomer som kännetecknas av omväxlande enkel- och dubbelbindningar av kol.

Ledande forskare och före detta Årets australiensare, Scientia-professorn Michelle Simmons, sa att teamet vid Silicon Quantum Computing, ett av UNSW:s mest spännande nystartade företag, byggde en kvantintegrerad krets bestående av en kedja av 10 kvantprickar för att simulera den exakta platsen för atomer. i polyacetylenkedjan.

"Om du går tillbaka till 1950-talet, sa Richard Feynman att du inte kan förstå hur naturen fungerar om du inte kan bygga materia i samma längdskala," sa prof. Simmons.

"Och så det är vad vi gör, vi bygger det bokstavligen nerifrån och upp, där vi härmar polyacetylenmolekylen genom att sätta atomer i kisel med exakta avstånd som representerar enkel- och dubbelkol-kolbindningarna."

Kedjereaktion

Forskningen förlitade sig på att mäta den elektriska strömmen genom en medvetet konstruerad 10-kvantpunktsreplika av polyacetylenmolekylen när varje ny elektron passerade från enhetens källutlopp till avloppet – den andra änden av kretsen.

För att vara dubbelt säker, simulerade de två olika strängar av polymerkedjorna.

I den första enheten skar de en bit av kedjan för att lämna dubbelbindningar i slutet som ger 10 toppar i strömmen. I den andra enheten skär de ett annat stycke av kedjan för att lämna enstaka bindningar i slutet som bara ger upphov till två toppar i strömmen. Strömmen som passerar genom varje kedja var därför dramatiskt annorlunda på grund av de olika bindningslängderna för atomerna i slutet av kedjan.

Mätningarna matchade inte bara de teoretiska förutsägelserna, de matchade perfekt.

"Vad det visar är att du bokstavligen kan härma vad som faktiskt händer i den verkliga molekylen. Och det är därför det är spännande eftersom signaturerna för de två kedjorna är väldigt olika," sa Prof. Simmons.

"De flesta av de andra kvantberäkningsarkitekturerna där ute har inte förmågan att konstruera atomer med subnanometerprecision eller låta atomerna sitta så nära.

"Och så det betyder att vi nu kan börja förstå fler och mer komplicerade molekyler baserat på att sätta atomerna på plats som om de härmar det verkliga fysiska systemet."

Stå vid kanten

Enligt Prof. Simmons var det ingen tillfällighet att en kolkedja på 10 atomer valdes eftersom den ligger inom storleksgränsen för vad en klassisk dator kan beräkna, med upp till 1024 separata interaktioner av elektroner i det systemet. Om du ökar den till en kedja med 20 punkter skulle antalet möjliga interaktioner öka exponentiellt, vilket gör det svårt för en klassisk dator att lösa.

"Vi är nära gränsen för vad klassiska datorer kan göra, så det är som att kliva ut i det okända", säger hon.

"Och det här är det som är spännande, vi kan nu göra större enheter som är bortom vad en klassisk dator kan modellera. Så vi kan titta på molekyler som inte har simulerats tidigare. Vi kommer att kunna förstå världen på ett annat sätt, med grundläggande frågor som vi aldrig har kunnat lösa tidigare."

En av frågorna som Prof. Simmons anspelade på handlar om att förstå och efterlikna fotosyntes – hur växter använder ljus för att skapa kemisk energi för tillväxt. Eller förstå hur man optimerar utformningen av katalysatorer som används för gödningsmedel, för närvarande en process med hög energi och hög kostnad.

"Så det finns enorma konsekvenser för att i grunden förstå hur naturen fungerar," sa hon.

Framtida kvantdatorer

Mycket har skrivits om kvantdatorer under de senaste tre decennierna, där miljardfrågan alltid är "men när kan vi se en?"

Prof. Simmons säger att utvecklingen av kvantdatorer är på en bana som är jämförbar med hur klassiska datorer utvecklades – från en transistor 1947 till en integrerad krets 1958, och sedan små datorchips som gick in i kommersiella produkter som miniräknare ungefär fem år efter det. .

"Och så vi replikerar nu den färdplanen för kvantdatorer," säger professor Simmons.

"Vi började med en enda atomtransistor 2012. Och det här senaste resultatet, realiserat 2021, motsvarar den integrerade kvantkretsen i atomskala, två år i förväg. Om vi ​​kartlägger den till utvecklingen av klassisk datoranvändning, kommer vi" vi förutspår att vi borde ha någon form av kommersiellt resultat av vår teknik om fem år."

En av fördelarna som UNSW/SQC-teamets forskning ger är att tekniken är skalbar eftersom den lyckas använda färre komponenter i kretsen för att kontrollera qubits – de grundläggande bitarna av kvantinformation.

"I kvantsystem behöver du något som skapar qubits, någon form av struktur i enheten som gör att du kan bilda kvanttillståndet", säger prof. Simmons.

"I vårt system skapar atomerna själva qubits, som kräver färre element i kretsarna. Vi behövde bara sex metalliska grindar för att styra elektronerna i vårt 10-punktssystem - med andra ord, vi har färre grindar än det finns aktiva enhetskomponenter . Medan de flesta kvantberäkningsarkitekturer behöver nästan dubbla antalet eller fler av styrsystemen för att flytta elektronerna i qubit-arkitekturen."

Att behöva färre komponenter packade tätt ihop minimerar mängden störningar av kvanttillstånden, vilket gör att enheter kan skalas upp för att göra mer komplexa och kraftfulla kvantsystem.

"Så den mycket låga fysiska portdensiteten är också väldigt spännande för oss, eftersom det visar att vi har det här snygga rena systemet som vi kan manipulera, och som håller koherens över långa avstånd med minimal overhead i grindarna. Det är därför det är värdefullt för skalbarhet. kvantberäkning."

Framöver kommer Prof. Simmons och hennes kollegor att utforska större föreningar som kan ha förutspåtts teoretiskt, men som aldrig har simulerats och förståtts fullt ut tidigare, till exempel högtemperatursupraledare. + Utforska vidare

Felfri kvantberäkning blir verklig