Nature menerbitkan kemajuan besar dalam pengkomputeran kuantum: pelaksanaan litar bersepadu kuantum yang pertama

Pada 23 Jun, syarikat pengkomputeran kuantum Australia SQC (Silicon Quantum Computing) mengumumkan pelancaran litar bersepadu kuantum pertama di dunia. Ini adalah litar yang mengandungi semua komponen asas yang terdapat pada cip komputer klasik, tetapi pada skala kuantum.

Pasukan SQC menggunakan pemproses kuantum ini untuk mensimulasikan dengan tepat keadaan kuantum molekul poliasetilena organik – akhirnya menunjukkan keberkesanan teknik pemodelan sistem kuantum baharu.

"Ini adalah satu kejayaan besar," kata pengasas SQC, Michelle Simmons. Komputer klasik hari ini mengalami kesukaran untuk mensimulasikan molekul yang agak kecil kerana bilangan besar kemungkinan interaksi antara atom. Pembangunan teknologi litar skala atom SQC akan membolehkan syarikat dan pelanggannya membina model kuantum pelbagai bahan baharu, sama ada ubat, bahan bateri atau pemangkin. Tidak lama kemudian kita mula merealisasikan bahan baharu yang tidak pernah wujud sebelum ini. ”

Hasil penyelidikan diterbitkan dalam terbitan baharu majalah Nature.

Pautan kertas: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

Replikasi komputer klasik pada tahap kuantum

Sama seperti komputer biasa (klasik), komputer kuantum menggunakan transistor untuk mengekod maklumat. Tetapi tidak seperti komputer klasik, transistor komputer kuantum berada pada skala kuantum - sekecil saiz atom. Komputer klasik menggunakan bit 0 dan 1, manakala transistor kuantum menggunakan 0, 1, atau campuran 0 dan 1 untuk mengekod maklumat kuantum.

Jurutera boleh mengeksploitasi kesan kuantum transistor atom tunggal untuk melakukan pengiraan. Tetapi dalam dunia kuantum, perkara tidak semudah itu.

Dalam dunia kuantum, zarah wujud dalam bentuk "superposisi" - kedudukan, momentum dan sifat fizikal lain mereka tidak ditakrifkan oleh satu nilai, tetapi diwakili oleh kebarangkalian . Melalui superposisi, qubit boleh menyimpan data pengiraan berbilang dimensi yang jauh lebih kompleks daripada bit biasa.

Akibatnya, komputer kuantum dijangka beribu-ribu atau bahkan berjuta-juta kali lebih pantas daripada komputer klasik dan melakukan pengiraan dengan lebih cekap berbanding komputer klasik yang paling berkuasa.

Walau bagaimanapun, mereka mempunyai kualiti ajaib yang lain.

Apabila keadaan superposisi meluas kepada berbilang sistem atau atom, anda mendapat "keadaan terjerat", di mana qubit berkait antara satu sama lain. Apabila qubit terjerat, perubahannya mempengaruhi satu sama lain. Kesan kuantum ini dijangka mempunyai aplikasi dalam bidang penyulitan.

Tetapi pada masa yang sama, kesan ini juga membawa masalah kepada saintis dalam membina komputer kuantum yang boleh digunakan.

Paling penting, sifat kebarangkalian sistem kuantum bermakna mereka sangat terdedah kepada ralat. Oleh itu, cabaran utama dalam mencipta mesin kuantum adalah untuk menjadikannya koheren untuk mengurangkan bunyi dalam isyarat. Masalah inilah yang pasukan SQC fikir mereka telah retak.

"Untuk mencipta komputer kuantum, kita perlu bekerja pada skala atom supaya kita boleh mengakses keadaan kuantum dan menjadikannya koheren dan pantas, kata pengarang Koresponden Michelle Simmons." .

Pengarang yang sepadan bagi karya Michelle Simmons

Pasukan Simmons membina transistor atom tunggal pertama di dunia pada tahun 2012 dan litar bersepadu berskala atom pertama pada tahun 2021. "Apa yang kami lihat ialah peranti seterusnya - sebelum kami boleh membina komputer kuantum yang boleh digunakan oleh orang ramai, kami masih perlu menyelesaikan beberapa jenis algoritma yang berkaitan secara komersial. Apabila kami mula-mula mula, kami tidak tahu apa yang kami akan lakukan untuk menunjukkan pada litar itu 》

Pasukan memilih poliasetilena, rantai molekul berasaskan karbon dengan formula kimia (C2H2)n, di mana n bermaksud ulangan.

Rajah struktur poliasetilena

Atom-atom dalam poliasetilena diikat bersama oleh ikatan kovalen. Ikatan tunggal bermakna dua atom berkongsi satu elektron terluar, dan ikatan rangkap bermakna dua elektron dikongsi. Pergantian ikatan tunggal dan berganda antara atom karbon dalam rantai poliasetilena menjadikan molekul ini objek kajian yang menarik dalam kimia fizik.

Model Su-Schrieffer-Heeger (SSH) ialah perwakilan terkenal bagi teori molekul yang menggunakan interaksi antara atom dan elektronnya untuk menerangkan sifat fizikal dan kimia sebatian. "Ini adalah masalah terkenal yang boleh diselesaikan dengan komputer klasik kerana terdapat sedikit atom di dalamnya sehingga komputer klasik boleh mengendalikan semua interaksi, " kata Simmons "Tetapi kami kini cuba menyelesaikannya dengan kuantum sistem."

Model bola dan kayu poliasetilena yang menunjukkan hubungan antara atom karbon (kelabu gelap) dan atom hidrogen (kelabu muda) Ikatan Tunggal dan Berganda

Jadi bagaimanakah pasukan SQC mensimulasikan poliasetilena pada peranti kuantum mereka?

“Kami membiarkan pemproses itu sendiri mensimulasikan ikatan tunggal dan berganda antara atom karbon,” jelas Simmons Meniru ikatan kimia dalam sistem. Menggunakan transistor atom dalam mesin, para penyelidik mensimulasikan ikatan kovalen dalam .

Menurut teori SSH, terdapat dua situasi berbeza dalam poliasetilena, dipanggil "keadaan topologi" - nama "topologi" adalah kerana bentuk geometrinya yang berbeza.

Dalam satu keadaan anda boleh memotong pautan pada satu ikatan karbon-karbon, jadi anda mempunyai ikatan berganda di hujung rantai. Sebagai alternatif, anda boleh memotong ikatan berganda, meninggalkan ikatan tunggal di hujung rantai, yang memisahkan atom di kedua-dua hujung kerana jarak ikatan tunggal yang lebih jauh. Kedua-dua keadaan topologi menunjukkan tingkah laku yang sama sekali berbeza apabila arus elektrik melalui rantai molekul.

Itulah teorinya. "Apabila kami membina peranti itu, itulah yang kami lihat," kata Simmons "Jadi ia sangat mengujakan, Dr. Charles Hill, Pensyarah Kanan dalam Pengkomputeran Kuantum di Universiti Melbourne, berkata saya bersetuju dengan ini.

"Salah satu senario aplikasi yang paling menjanjikan untuk teknologi kuantum ialah menggunakan satu sistem kuantum untuk mensimulasikan sistem kuantum lain," kata Hill "Dalam karya ini, pengarang menganggap rantaian A daripada sepuluh titik kuantum dan menggunakannya untuk mensimulasikan apa yang dipanggil model SSH adalah satu pencapaian yang luar biasa Peranti kuantum yang digunakan untuk demonstrasi ini telah direka dengan ketepatan sub-nanometer, Simmons percaya, bahawa anda ". tidak mencipta bahan baharu yang perlu anda cipta dan fikirkan cara membuatnya."

"Kami mempunyai ketepatan sub-nanometer atom," tambahnya "Atom itu sendiri berada dalam matriks silikon, jadi kami sedang membina sistem daripada bahan yang telah digunakan dalam industri semikonduktor ."

"Hanya terdapat dua atom dalam keseluruhan peranti - fosforus dan silikon Kami menyingkirkan semua bahan lain, semua antara muka, dielektrik. semua perkara yang menyebabkan masalah dalam seni bina lain Ia secara konsepnya mudah, tetapi jelas mencabar untuk dibuat. Ia adalah sistem yang bagus, bersih, berskala dekad untuk mengetahui proses kimia yang memasukkan atom fosforus ke dalam matriks silikon dan menjadikannya dilindungi (Salah satu daripada) teknik yang kami gunakan untuk mengimbas terowong mikroskop (STM), alat fotolitografi. pasukan mula-mula memanaskan substrat kepada 1100°C dan kemudian menyejukkannya secara beransur-ansur Sekitar 350°C, permukaan silikon dua dimensi yang rata terbentuk. Silikon kemudiannya ditutup dengan atom hidrogen, yang boleh dibuang secara selektif dan secara individu menggunakan hujung STM. Atom fosforus diletakkan dalam celah yang baru terbentuk dalam lapisan atom hidrogen sebelum keseluruhannya ditutup dengan lapisan silikon yang lain.

Peranti kuantum SQC dimodelkan pada skala atom

"Ini bermakna kita hanya boleh membuat satu demi satu peranti ," Simmons mengakui, "tetapi saya menganggapnya seperti jam tangan Switzerland—ia boleh menjadi sangat tepat dan perlu dibuat dengan tangan, untuk membuat sistem berskala, anda memerlukan ketepatan seperti itu. Sukar untuk membina keadaan kuantum kerana anda tidak tahu apa yang anda ada Jadi maksud kami ialah: ya, ia lebih perlahan, tetapi anda tahu apa yang anda boleh dapatkan Setelah peranti dibina, algoritma yang dipilih oleh pasukan penyelidik akan ada "kepentingan bersejarah."

"Algoritma analog adalah impian Richard Feynman bermula pada tahun 1950-an," jelas Simmons. "Jika anda ingin memahami bagaimana alam semula jadi berfungsi, anda perlu membinanya pada skala panjang itu. Bolehkah kita memodelkan ikatan tunggal dan berganda bagi molekul karbon dengan ketepatan subnanometer? Malah, kita mendapati diri kita Daripada menggunakan atom tunggal untuk mensimulasikan atom karbon, 25 atom fosforus telah digunakan Pasukan mendapati mereka boleh mengawal aliran elektron di sepanjang pautan.

"Jadi, anda mempunyai kawalan individu dan tempatan serta keupayaan kawalan lanjutan," kata Simmons. "Kami telah menunjukkan bahawa pautan 10 mata boleh dilaksanakan dengan hanya enam elektrod. Jadi, terdapat lebih sedikit elektrod daripada bilangan titik sebenar. Ini sangat berguna untuk penskalaan. Kerana pada asasnya, dalam komputer kuantum, tidak ada memerlukan komponen aktif. Daripada itu, anda sentiasa mahu membina lebih sedikit gerbang, jika tidak, ia akan berskala buruk."

Bukan sahaja peranti baharu itu mematuhi teori SSH, tetapi Simmons percaya komputer kuantum akan tersedia tidak lama lagi. Akan mula meniru masalah di luar teori optimum semasa. "Ia membuka pintu kepada perkara yang tidak pernah kami bayangkan sebelum ini, yang menakutkan dan mengujakan," katanya.

Peranti ini mempunyai kelemahan yang serupa dengan komputer kuantum lain - khususnya keperluan untuk sistem penyejukan yang besar untuk memastikan suhu operasi hampir kepada sifar mutlak, yang memerlukan banyak tenaga dan kos.

Disebabkan kerahsiaan komersial, Simmons menutup mulut tentang projek yang sedang diusahakan oleh SQC berikutan pembentangan awal. Namun, dia berkata: "Kami mahu menerapkannya pada sebanyak mungkin perkara yang berbeza dan melihat apa yang kami temui." 》

Pasukan SQC di belakang kertas Nature

"Hakikat bahawa kita boleh mendapatkan elektron secara koheren merentasi keseluruhan rantai memberitahu kita bahawa ini adalah sistem yang sangat koheren kuantum," katanya "Ia memberi kita keyakinan bahawa sistem fizikal adalah sangat stabil. Ini adalah tanda kesucian sistem Terdapat banyak laluan berbeza yang boleh diambil untuk membuat sistem fizikal yang lebih besar pastinya salah satu daripadanya ialah memerhati keadaan putaran dan bukannya keadaan caj adalah satu lagi kerja yang menunjukkan sifat antara disiplin. ahli fizik kuantum, ahli kimia, jurutera dan jurutera perisian semuanya terlibat. "Ini adalah bidang yang menarik untuk golongan muda," katanya. "Ini adalah kes di mana projek penyelidikan saintifik asas berkembang menjadi alat praktikal."

Atas ialah kandungan terperinci Nature menerbitkan kemajuan besar dalam pengkomputeran kuantum: pelaksanaan litar bersepadu kuantum yang pertama. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!