Создана первая квантовая плата: невероятный прорыв в области квантовых вычислений
«Это самое захватывающее открытие в моей карьере», — призналась в интервью порталу ScienceAlert старший автор и квантовый физик Мишель Симмонс, основатель Silicon Quantum Computing и директор Центра передового опыта квантовых вычислений и коммуникационных технологий UNSW.
Мало того, что Симмонс и ее команда создали то, что по сути является функциональным квантовым процессором, они также успешно протестировали его, смоделировав маленькую молекулу, в которой каждый атом имеет несколько квантовых состояний — то, чего традиционному компьютеру было бы трудно достичь.
Теперь мы на шаг ближе к тому, чтобы, наконец, использовать мощность квантовой обработки, чтобы лучше понять окружающий нас мир, даже в самом маленьком масштабе.
Чтобы совершить скачок в области квантовых вычислений, ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп в сверхвысоком вакууме для размещения квантовых точек с субнанометровой точностью.
Расположение каждой квантовой точки должно быть правильным, чтобы схема могла имитировать то, как электроны прыгают по цепочке атомов углерода с одинарной и двойной связью в молекуле полиацетилена.
Самым сложным было выяснить: сколько именно атомов фосфора должно быть в каждой квантовой точке; точное расстояние между каждой точкой; а затем сконструировать машину, которая могла бы размещать крошечные точки в точном порядке внутри кремниевого чипа.
Исследователи говорят, что если квантовые точки слишком велики, взаимодействие между двумя точками становится «слишком большим, чтобы управлять ими независимо друг от друга». Если точки слишком малы, это вносит случайность, потому что каждый лишний атом фосфора может существенно изменить количество энергии, необходимое для добавления еще одного электрона к точке.
Последний квантовый чип содержал 10 квантовых точек, каждая из которых состояла из небольшого количества атомов фосфора. Двойные углеродные связи моделировались путем установления меньшего расстояния между квантовыми точками, чем одинарные углеродные связи.
Полиацетилен был выбран потому, что это хорошо известная модель, и поэтому ее можно использовать для доказательства того, что компьютер правильно моделирует движение электронов через молекулу.
Квантовые компьютеры в подобных операциях бесценны, поскольку классические компьютеры не могут моделировать большие молекулы — это слишком сложная операция. Например, для моделирования молекулы пенициллина с 41 атомом классическому компьютеру потребуется 1086 транзисторов, что «больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной».
Квантовому же компьютеру потребуется только процессор с 286 кубитами (квантовыми битами).
Еще одним потенциальным применением квантовых вычислений является изучение искусственного фотосинтеза и того, как свет преобразуется в химическую энергию посредством органической цепи реакций. А другая большая проблема, которую могут решить квантовые компьютеры, — это создание удобрений. Тройные азотные связи в настоящее время разрушаются в условиях высокой температуры и давления в присутствии железного катализатора для создания фиксированного азота. Поиск другого катализатора, который может сделать удобрение более эффективным, может сэкономить много денег и энергии.
Это знаменательное открытие потребовало подготовки длиной в девять лет.