Огромный шаг в области квантовых вычислений: создана первая в мире квантовая микросхема

Австралийские ученые создали первую в мире микросхему для квантового компьютера, которая содержит все основные компоненты классического компьютерного чипа, но в квантовом масштабе. Знаменательное открытие готовилось девять лет. Научная статья вышла в журнале Nature, о событии рассказывает ScienceAlert.

«Это самое захватывающее открытие в моей карьере», — сказала старший автор публикации, квантовый физик Мишель Симмонс, основатель компании-разработчика Silicon Quantum Computing.

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. Теперь человечество на шаг ближе к тому, чтобы, наконец, использовать мощность квантовой обработки информации, чтобы лучше понять окружающий мир.

Изобретение следует за созданием командой первого квантового транзистора в 2012 году.(Транзистор — это небольшое устройство, управляющее электронными сигналами и являющееся лишь частью компьютерной схемы. Интегральная схема более сложна, поскольку в ней собрано множество транзисторов.)

Чтобы совершить скачок в области квантовых вычислений, исследователи 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.

Самым сложным было выяснить: сколько именно атомов 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 сильным, чтобы управлять ими независимо друг от друга». Если точки слишком малы, это вносит случайность.

Квантовый чип содержит 10 квантовых точек, каждая из которых состоит из небольшого количества атомов фосфора. Двойные углеродные связи имитировались путем установления меньшего расстояния между квантовыми точками, чем в одинарных.

Компания специализируется на создании моделей сложных молекул. Команда использовала квантовый процессор для точного моделирования квантовых состояний небольшой органической молекулы полиацетилена. Было выбрано вещество полиацетилен. Оно хорошо изучено, и поэтому его можно использовать для доказательства того, что компьютер правильно моделирует движение электронов по молекуле.

Квантовые компьютеры нужны, в частности, потому что классические компьютеры не могут моделировать большие молекулы. Например, чтобы смоделировать молекулу пенициллина с 41 атомом, классическому компьютеру потребовалось бы 1086 транзисторов. Для квантового компьютера потребуется только процессор с 286 кубитами (квантовыми битами).

Поскольку ученые в настоящее время имеют ограниченное представление о том, как молекулы функционируют в атомном масштабе, при создании новых материалов существует много проблем.

«Это большой прорыв. Сегодняшние классические компьютеры с трудом моделируют даже относительно небольшие молекулы. Разработка технологии цепей атомарного масштаба позволит создавать квантовые модели для новых материалов, будь то фармацевтические препараты, материалы для батарей или катализаторы. Пройдет совсем немного времени, прежде чем мы сможем начать создавать новые материалы, которых раньше никогда не существовало. Одним из святых Граалей науки всегда было создание высокотемпературных сверхпроводников», — говорит Мишель Симмонс.

Еще одним потенциальным применением квантовых вычислений является изучение искусственного фотосинтеза и того, как свет преобразуется в химическую энергию посредством органической цепочки реакций.

Еще одна большая проблема, которую могут решить квантовые компьютеры, — это создание удобрений. Поиск катализатора, который может сделать удобрение более эффективным, поможет сэкономить много денег и энергии. И много-много других актуальных задач.