科學家攻克60年前挑戰 世界首個原子級量子集成電路誕生

據發表在《自然》雜志上的論文，澳大利亞新南威爾士大學量子計算機物理學家團隊設計了一個原子尺度的量子處理器，能夠模擬小有機分子的行為，攻克了大約60年前理論物理學家理查德·費曼提出的挑戰。該校初創企業“硅量子計算”公司(SQC)6月23日宣布創造出世界上第一個原子級量子集成電路。

據SQC官網介紹，該團隊2012年宣布制造出世界上第一個單原子晶體管，并提出到2023年實現原子級量子集成電路。現在，該目標提前實現了。

在制造出用作模擬量子處理器的原子級集成電路后，SQC團隊用這種量子處理器精確地模擬了一個小的有機聚乙炔分子的量子態，從而證明了他們的量子系統建模技術的有效性。通過精確控制原子的量子態，新處理器可模擬分子的結構和特性，有望幫助科學家“解鎖”未來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化合物聚乙炔的結構和能量狀態的。聚乙炔是一種由碳和氫原子組成的重復鏈，其中碳碳之間單雙鍵交替。研究團隊構建了一個由10個量子點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個金屬門控制電子在電路中的流動。

首席研究員、SQC創始人米歇爾·西蒙斯稱，選擇10個原子的碳鏈并非偶然，因為它在經典計算機能夠計算的大小限制之內，該系統中電子的獨立相互作用多達1024個。若增加到20點鏈，則可能的相互作用的數量呈指數級增加，這將使經典計算機難以求解。

“在20世紀50年代，費曼提出，除非你能以相同的尺度構建物質，否則你無法理解大自然是如何運作的。”西蒙斯說，“這就是我們在做的事情，我們實際上是在自下而上構建它，通過將原子放入硅中來模擬聚乙炔分子，其精確的距離表示碳碳單鍵和碳碳雙鍵。”

西蒙斯認為，這是一個重大突破。由于原子之間可能存在大量的相互作用，今天的經典計算機難以模擬相對較小的分子。SQC原子級電路技術的開發將使該公司及其客戶能夠為一系列新材料構建量子模型，無論這些新材料是藥品、電池材料還是催化劑。