科學(xué)家攻克60年前挑戰(zhàn) 世界首個(gè)原子級(jí)量子集成電路誕生

據(jù)發(fā)表在《自然》雜志上的論文，澳大利亞新南威爾士大學(xué)量子計(jì)算機(jī)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)原子尺度的量子處理器，能夠模擬小有機(jī)分子的行為，攻克了大約60年前理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出的挑戰(zhàn)。該校初創(chuàng)企業(yè)“硅量子計(jì)算”公司(SQC)6月23日宣布創(chuàng)造出世界上第一個(gè)原子級(jí)量子集成電路。

據(jù)SQC官網(wǎng)介紹，該團(tuán)隊(duì)2012年宣布制造出世界上第一個(gè)單原子晶體管，并提出到2023年實(shí)現(xiàn)原子級(jí)量子集成電路。現(xiàn)在，該目標(biāo)提前實(shí)現(xiàn)了。

在制造出用作模擬量子處理器的原子級(jí)集成電路后，SQC團(tuán)隊(duì)用這種量子處理器精確地模擬了一個(gè)小的有機(jī)聚乙炔分子的量子態(tài)，從而證明了他們的量子系統(tǒng)建模技術(shù)的有效性。通過(guò)精確控制原子的量子態(tài)，新處理器可模擬分子的結(jié)構(gòu)和特性，有望幫助科學(xué)家“解鎖”未來(lái)的全新材料和催化劑。

在論文中，研究人員描述了他們是如何模擬有機(jī)化合物聚乙炔的結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的。聚乙炔是一種由碳和氫原子組成的重復(fù)鏈，其中碳碳之間單雙鍵交替。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)由10個(gè)量子點(diǎn)鏈組成的量子集成電路，以模擬聚乙炔鏈中原子的精確位置，其中有6個(gè)金屬門(mén)控制電子在電路中的流動(dòng)。

首席研究員、SQC創(chuàng)始人米歇爾·西蒙斯稱，選擇10個(gè)原子的碳鏈并非偶然，因?yàn)樗诮?jīng)典計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算的大小限制之內(nèi)，該系統(tǒng)中電子的獨(dú)立相互作用多達(dá)1024個(gè)。若增加到20點(diǎn)鏈，則可能的相互作用的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增加，這將使經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以求解。

“在20世紀(jì)50年代，費(fèi)曼提出，除非你能以相同的尺度構(gòu)建物質(zhì)，否則你無(wú)法理解大自然是如何運(yùn)作的。”西蒙斯說(shuō)，“這就是我們?cè)谧龅氖虑?，我們?shí)際上是在自下而上構(gòu)建它，通過(guò)將原子放入硅中來(lái)模擬聚乙炔分子，其精確的距離表示碳碳單鍵和碳碳雙鍵。”

西蒙斯認(rèn)為，這是一個(gè)重大突破。由于原子之間可能存在大量的相互作用，今天的經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以模擬相對(duì)較小的分子。SQC原子級(jí)電路技術(shù)的開(kāi)發(fā)將使該公司及其客戶能夠?yàn)橐幌盗行虏牧蠘?gòu)建量子模型，無(wú)論這些新材料是藥品、電池材料還是催化劑。