首席研究员和前年度澳大利亚人，Scientia教授Michelle Simmons。图片来源：SQC

新南威尔士大学悉尼分校的一个量子计算机物理学家团队设计了一个原子尺度的量子处理器，以模拟小有机分子的行为，解决了理论物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）大约60年前提出的挑战。

这一成就提前两年发生，代表了建造世界上第一台量子计算机的竞赛中的一个重要里程碑，并证明了该团队能够以前所未有的精细水平控制硅中电子和原子的量子态。

在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了他们如何能够模仿有机化合物聚乙炔的结构和能量状态 - 一种重复的碳和氢原子链，通过交替的单键和双键来区分。

首席研究员和前年度澳大利亚人，Scientia教授Michelle Simmons表示，新南威尔士大学最令人兴奋的初创企业之一Silicon Quantum Computing的团队构建了一个量子集成电路，该电路由10个量子点链组成，以模拟原子在聚乙炔链中的精确位置。

“如果你回到1950年代，理查德·费曼（Richard Feynman）说，除非你能以相同的长度尺度建造物质，否则你无法理解自然是如何运作的，”西蒙斯教授说。

“这就是我们正在做的事情，我们实际上是从下往上构建它，在那里我们通过将原子放入硅中来模仿聚乙炔分子，其精确距离代表单碳和双碳 - 碳键。

连锁反应

该研究依赖于通过精心设计的聚乙炔分子的10量子点复制品测量电流，因为每个新电子都从器件的源极出口传递到电路的另一端。

为了加倍肯定，他们模拟了聚合物链的两条不同链。

在第一个器件中，它们切割链的一段，在末端留下双键，在电流中产生10个峰值。在第二个器件中，它们切割了链的不同片段，以在末端留下单个键，仅在电流中产生两个峰值。因此，由于链末端原子的键长不同，通过每条链的电流是截然不同的。

这些测量结果不仅与理论预测相符，而且完全匹配。

“它表明的是，你可以从字面上模仿真实分子中实际发生的事情。这就是为什么它令人兴奋，因为两个链条的签名非常不同，“西蒙斯教授说。

“大多数其他量子计算架构都没有能力设计亚纳米精度的原子，或者允许原子坐得那么近。

“这意味着现在我们可以开始理解越来越复杂的分子，就像它们模仿真实的物理系统一样，将原子放在适当的位置。

站在边缘

根据西蒙斯教授的说法，选择10个原子的碳链并非偶然，因为它位于经典计算机能够计算的大小限制范围内，该系统中多达1024个电子的单独相互作用。将其增加到20点链将看到可能的交互数量呈指数级增长，这使得经典计算机难以解决。

“我们已经接近经典计算机所能做到的极限，所以这就像走出边缘进入未知领域，”她说。

“这是令人兴奋的事情，我们现在可以制造更大的设备，这些设备超出了经典计算机的模型。因此，我们可以查看以前从未被模拟过的分子。我们将能够以不同的方式理解世界，解决我们以前从未解决过的基本问题。

西蒙斯教授提到的一个问题是关于理解和模仿光合作用——植物如何利用光来创造生长的化学能。或者了解如何优化用于肥料的催化剂的设计，目前是一个高能量、高成本的过程。

“因此，从根本上理解自然是如何运作的，有巨大的影响，”她说。

未来的量子计算机

在过去的三十年里，关于量子计算机的文章很多，十亿美元的问题总是“但我们什么时候能看到一个？

西蒙斯教授说，量子计算机的发展与经典计算机的发展轨迹相当——从1947年的晶体管到1958年的集成电路，再到大约五年后进入计算器等商业产品的小型计算芯片。

“所以我们现在正在复制量子计算机的路线图，”西蒙斯教授说。

“我们从2012年的单个原子晶体管开始。而这一最新成果，在2021年实现的，相当于原子尺度的量子集成电路，提前两年。如果我们将其映射到经典计算的发展，我们预测五年后我们的技术应该会产生某种商业成果。

UNSW / SQC团队的研究带来的优势之一是该技术是可扩展的，因为它设法在电路中使用更少的组件来控制量子位 - 量子信息的基本位。

“在量子系统中，你需要一些创造量子比特的东西，设备中的某种结构，允许你形成量子态，”西蒙斯教授说。

“在我们的系统中，原子本身产生量子位，电路中需要的元素更少。我们只需要六个金属门来控制10点系统中的电子 - 换句话说，我们的门比有源器件组件少。而大多数量子计算架构需要几乎两倍或更多的控制系统来移动量子比特架构中的电子。

需要将更少的组件紧密地封装在一起，可以最大限度地减少对量子态的任何干扰量，从而允许设备扩展以制造更复杂，更强大的量子系统。

“因此，非常低的物理门密度对我们来说也非常令人兴奋，因为它表明我们已经拥有了一个可以操纵的漂亮干净的系统，在远距离上保持一致性，而门的开销最小。这就是为什么它对可扩展的量子计算很有价值。

展望未来，西蒙斯教授和她的同事们将探索更大的化合物，这些化合物可能已经在理论上预测过，但以前从未被模拟和完全理解过，例如高温超导体。

更多信息：M. Kiczynski等人，基于原子的半导体量子点中的工程拓扑状态，Nature（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04706-0

期刊信息：《自然》