Решена задача Ричарда Феймана о моделировании поведения органической молекулы
Команда физиков, занимающихся квантовыми компьютерами, из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее разработала квантовый процессор атомного масштаба для моделирования поведения небольшой органической молекулы, решив задачу, поставленную около 60 лет назад физиком-теоретиком Ричардом Фейнманом.
Ведущий исследователь и бывшая австралийка года, профессор Scientia Мишель Симмонс. 1 кредит
Достижение, которое произошло на два года раньше запланированного, представляет собой важную веху в гонке за создание первого в мире квантового компьютера и демонстрирует способность команды управлять квантовыми состояниями электронов и атомов в кремнии на непревзойденном уровне.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, исследователи описали, как им удалось имитировать структуру и энергетическое состояние органического соединения полиацетилена — повторяющейся цепи атомов углерода и водорода , отличающихся чередованием одинарных и двойных связей углерода.
Ведущий исследователь и бывшая австралийка года, профессор Scientia Мишель Симмонс, сказала, что команда Silicon Quantum Computing, одного из самых интересных стартапов UNSW, построила квантовую интегральную схему, состоящую из цепочки из 10 квантовых точек для имитации точного расположения атомов. в полиацетиленовой цепи.
«Если вы вернетесь в 1950-е годы, Ричард Фейнман сказал, что вы не сможете понять, как работает природа, если не сможете построить материю в том же масштабе длины», — сказал профессор Симмонс.
«И вот что мы делаем, мы буквально строим его снизу вверх, где мы имитируем молекулу полиацетилена, помещая атомы в кремний с точными расстояниями, которые представляют собой одинарные и двойные углерод-углеродные связи».
Цепная реакция
Исследование основывалось на измерении электрического тока через специально сконструированную копию молекулы полиацетилена с 10 квантовыми точками, когда каждый новый электрон проходил от истока устройства к стоку — другому концу цепи.
Чтобы быть вдвойне уверенным, они смоделировали две разные нити полимерных цепей.
В первом устройстве они вырезали фрагмент цепи, чтобы оставить двойные связи на конце, что дало 10 пиков тока. Во втором устройстве они вырезали другой фрагмент цепи, оставляя одинарные связи на конце, что приводило только к двум пикам тока. Таким образом, ток, проходящий через каждую цепь, сильно отличался из-за разной длины связи атомов в конце цепи.
Измерения не только совпали с теоретическими предсказаниями, они совпали идеально.
«Это показывает, что вы можете буквально имитировать то, что на самом деле происходит в реальной молекуле. И вот почему это интересно, потому что сигнатуры двух цепей очень разные», — сказал профессор Симмонс.
«Большинство других архитектур квантовых вычислений не имеют возможности создавать атомы с субнанометровой точностью или позволять атомам располагаться так близко.
«И это означает, что теперь мы можем начать понимать все более и более сложные молекулы, расставляя атомы по местам, как если бы они имитировали реальную физическую систему».
Стоя на краю
По словам профессора Симмонса, углеродная цепочка из 10 атомов была выбрана не случайно, потому что она находится в пределах предела размера, который может вычислить классический компьютер, до 1024 отдельных взаимодействий электронов в этой системе. Увеличение его до цепочки из 20 точек привело бы к экспоненциальному росту числа возможных взаимодействий, что затруднило бы решение классическим компьютером.
«Мы приближаемся к пределу возможностей классических компьютеров, так что это все равно, что шагнуть с края в неизвестность», — говорит она.
«И это самое интересное: теперь мы можем создавать более крупные устройства, которые невозможно смоделировать с помощью классического компьютера . Таким образом, мы можем смотреть на молекулы, которые раньше не моделировались. Мы сможем понять мир» по-другому, обращаясь к фундаментальным вопросам, которые мы никогда не могли решить раньше».
Один из вопросов, на который сослался профессор Симмонс, касается понимания и имитации фотосинтеза — того, как растения используют свет для создания химической энергии для роста. Или понять, как оптимизировать конструкцию катализаторов, используемых для удобрений, что в настоящее время является энергоемким и дорогостоящим процессом.
«Таким образом, есть огромные последствия для фундаментального понимания того, как работает природа», — сказала она.
Будущие квантовые компьютеры
Много было написано о квантовых компьютерах за последние три десятилетия, и вопрос на миллиард долларов всегда звучит так: «Но когда мы сможем его увидеть?»
Профессор Симмонс говорит, что развитие квантовых компьютеров идет по траектории, сравнимой с тем, как развивались классические компьютеры — от транзистора в 1947 году до интегральной схемы в 1958 году, а затем примерно через пять лет после этого небольшие вычислительные чипы превратились в коммерческие продукты, такие как калькуляторы. .
«И поэтому сейчас мы воспроизводим эту дорожную карту для квантовых компьютеров», — говорит профессор Симмонс.
«Мы начали с одноатомного транзистора в 2012 году. И этот последний результат, реализованный в 2021 году, является эквивалентом квантовой интегральной схемы атомного масштаба, опередившей время на два года. Если мы сопоставим его с эволюцией классических вычислений, Я предсказываю, что через пять лет мы должны получить какой-то коммерческий результат от нашей технологии».
Одно из преимуществ, которое дает исследование команды UNSW/SQC, заключается в том, что технология является масштабируемой, поскольку ей удается использовать меньшее количество компонентов в схеме для управления кубитами — основными битами квантовой информации.
«В квантовых системах вам нужно что-то, что создает кубиты, какая-то структура в устройстве, позволяющая формировать квантовое состояние», — говорит профессор Симмонс.
«В нашей системе сами атомы создают кубиты, что требует меньшего количества элементов в цепях. Нам нужно было всего шесть металлических вентилей для управления электронами в нашей 10-точечной системе — другими словами, у нас меньше вентилей, чем активных компонентов устройства. , В то время как большинству архитектур квантовых вычислений требуется почти вдвое больше или больше систем управления для перемещения электронов в архитектуре кубитов».
Необходимость меньшего количества компонентов, плотно упакованных вместе, сводит к минимуму любое вмешательство в квантовые состояния, позволяя масштабировать устройства для создания более сложных и мощных квантовых систем.
«Таким образом, очень низкая физическая плотность ворот также очень интересна для нас, потому что она показывает, что есть хорошая чистая система, которой мы можем манипулировать, сохраняя согласованность на больших расстояниях с минимальными накладными расходами на ворота. Вот почему это ценно для масштабируемости квантовых вычислений».
Забегая вперед, профессор Симмонс и ее коллеги будут исследовать более крупные соединения, которые, возможно, были предсказаны теоретически, но никогда ранее не моделировались и не были полностью изучены, такие как высокотемпературные сверхпроводники.
