Práve bol ohlásený obrovský krok vpred v kvantovej výpočtovej technike: vôbec prvý kvantový obvod

(Natalya Burova/Getty Images)

Austrálski vedci vytvorili vôbec prvý na svete rovnako ako počítač obvod – taký, ktorý obsahuje všetky základné komponenty nachádzajúce sa na klasickom počítačovom čipe, ale v kvantovom meradle.

Prelomový objav, publikovaný v r Príroda dnes to bolo deväť rokov.

„Toto je najvzrušujúcejší objav v mojej kariére,“ povedala vedúca autorka a kvantová fyzička Michelle Simmonsová, zakladateľka Silicon. Kvantová výpočtová technika a riaditeľ Centra excelentnosti pre kvantové výpočtové a komunikačné technológie v UNSW povedal Energyeffic.



Simmons a jej tím nielenže vytvorili to, čo je v podstate funkčný kvantový procesor, ale tiež ho úspešne otestovali modelovaním malej molekuly, v ktorej má každý atóm viacero kvantových stavov – niečo, čo by tradičný počítač len ťažko dosiahol.

To naznačuje, že sme teraz o krok bližšie k tomu, aby sme konečne využili kvantový výpočtový výkon, aby sme pochopili viac o svete okolo nás, dokonca aj v najmenšom rozsahu.

'V 50. rokoch 20. storočia Richard Feynman povedal, že nikdy nepochopíme, ako funguje svet – ako funguje príroda – pokiaľ to nezačneme robiť v rovnakom rozsahu,“ povedal Simmons pre Energyeffic.

„Ak dokážeme začať chápať materiály na tejto úrovni, môžeme navrhnúť veci, ktoré ešte nikdy neboli vyrobené.

'Otázka znie: ako vlastne ovládate prírodu na tejto úrovni?'

Najnovší vynález nasleduje po vytvorení prvého kvantového tranzistora v tíme v roku 2012.

(A tranzistor je malé zariadenie, ktoré riadi elektronické signály a tvorí len jednu časť počítačového obvodu. Integrovaný obvod je zložitejší, pretože spája veľa tranzistorov.)

Na uskutočnenie tohto skoku v kvantových výpočtoch výskumníci použili skenovací tunelový mikroskop v ultra vysokom vákuu na umiestnenie kvantových bodov s presnosťou pod nanometrov.

Umiestnenie každej kvantovej bodky muselo byť správne, aby obvod mohol napodobňovať, ako elektróny poskakujú pozdĺž reťazca uhlíkov s jednou a dvojitou väzbou v molekule polyacetylénu.

Najzložitejšie bolo zisťovanie: presne koľko atómov fosforu by malo byť v každej kvantovej bodke; presne ako ďaleko od seba by mala byť každá bodka; a potom skonštruovať stroj, ktorý dokáže umiestniť drobné bodky presne do správneho usporiadania vnútri kremíkového čipu.

Ak sú kvantové bodky príliš veľké, interakcia medzi dvoma bodkami bude „príliš veľká na to, aby ich bolo možné nezávisle ovládať“, tvrdia vedci.

Ak sú bodky príliš malé, predstavuje to náhodnosť, pretože každý ďalší atóm fosforu môže podstatne zmeniť množstvo energie potrebnej na pridanie ďalšieho elektrónu k bodke.

Finálny kvantový čip obsahoval 10 kvantových bodov, z ktorých každý pozostával z malého počtu atómov fosforu.

Dvojité uhlíkové väzby boli simulované umiestnením menšej vzdialenosti medzi kvantové bodky ako jednoduché uhlíkové väzby.

Polyacetylén bol vybraný, pretože je to dobre známy model a mohol by sa preto použiť na preukázanie, že počítač správne simuloval pohyb elektrónov cez molekulu.

Kvantové počítače sú potrebné, pretože klasické počítače nedokážu modelovať veľké molekuly; sú jednoducho príliš zložité.

Napríklad na vytvorenie simulácie molekuly penicilínu so 41 atómami by klasický počítač potreboval 1086tranzistory, čo je ' viac tranzistorov ako je atómov v pozorovateľnom vesmíre '.

Pre kvantový počítač by to vyžadovalo iba procesor s 286 qubity (kvantové bity).

Pretože vedci v súčasnosti majú obmedzený prehľad o tom, ako molekuly fungujú v atómovom meradle, existuje veľa odhadov pri vytváraní nových materiálov.

„Jeden zo svätých grálov vždy vytváral vysokú teplotu supravodič “, hovorí Simmons. 'Ľudia jednoducho nepoznajú mechanizmus, ako to funguje.'

Ďalšou potenciálnou aplikáciou pre kvantové výpočty je štúdium umelej fotosyntézy a toho, ako sa svetlo premieňa na chemickú energiu prostredníctvom organického reťazca reakcií.

Ďalším veľkým problémom, ktorý by kvantové počítače mohli pomôcť vyriešiť, je tvorba hnojív. Trojité dusíkové väzby sa v súčasnosti prerušujú za podmienok vysokej teploty a tlaku v prítomnosti železného katalyzátora, aby sa vytvoril pevný dusík pre hnojivo.

Nájdenie iného katalyzátora, ktorý dokáže zefektívniť výrobu hnojív, by mohlo ušetriť veľa peňazí a energie.

Simmons hovorí, že dosiahnutie prechodu z kvantového tranzistora na obvod za iba deväť rokov napodobňuje plán, ktorý stanovili vynálezcovia klasických počítačov.

Prvý klasický počítačový tranzistor bol vytvorený v roku 1947. Prvý integrovaný obvod bol zostrojený v roku 1958. Tieto dva vynálezy boli od seba vzdialené 11 rokov; Simmonsov tím urobil tento skok dva roky pred plánovaným termínom.

Tento článok bol uverejnený v r Príroda .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.