Quantum computing, hoewel nog in de kinderschoenen, heeft het potentieel om de verwerkingskracht drastisch te vergroten door gebruik te maken van het vreemde gedrag van deeltjes op de kleinste schaal. Sommige onderzoeksgroepen hebben al gemeld dat ze berekeningen uitvoeren die een traditionele supercomputer duizenden jaren zou kosten. Op de lange termijn kunnen kwantumcomputers onbreekbare codering en simulaties van de natuur bieden die de mogelijkheden van vandaag te boven gaan.

Een door de UCLA geleid interdisciplinair onderzoeksteam met medewerkers van Harvard University heeft nu een fundamenteel nieuwe strategie ontwikkeld voor het bouwen van deze computers. Terwijl de huidige stand van de techniek gebruik maakt van circuits, halfgeleiders en andere elektrotechnische instrumenten, heeft het team een ​​spelplan opgesteld dat gebaseerd is op het vermogen van scheikundigen om op maat gemaakte atomaire bouwstenen te ontwerpen die de eigenschappen van grotere moleculaire structuren controleren wanneer ze worden geplaatst. samen.

De bevindingen, vorige week gepubliceerd in Nature Chemistry , zou uiteindelijk kunnen leiden tot een sprong in de kwantumverwerkingskracht.

"Het idee is om, in plaats van een kwantumcomputer te bouwen, de scheikunde hem voor ons te laten bouwen", zegt Eric Hudson, David S. Saxon Presidential Professor of Physics van de UCLA en corresponderende auteur van de studie. "We leren allemaal nog steeds de regels voor dit soort kwantumtechnologie, dus dit werk is op dit moment erg sci-fi."

De basiseenheden van informatie in traditioneel computergebruik zijn bits, die elk beperkt zijn tot een van slechts twee waarden. Een groep kwantumbits - of qubits - kan daarentegen een veel groter bereik aan waarden hebben, waardoor de verwerkingskracht van een computer exponentieel toeneemt. Er zijn meer dan 1.000 normale bits nodig om slechts 10 qubits te vertegenwoordigen, terwijl voor 20 qubits meer dan 1 miljoen bits nodig zijn.

Die eigenschap, die de kern vormt van het transformationele potentieel van quantum computing, hangt af van de contra-intuïtieve regels die van toepassing zijn wanneer atomen op elkaar inwerken. Wanneer twee deeltjes bijvoorbeeld op elkaar inwerken, kunnen ze met elkaar verbonden raken of verstrengeld raken, zodat het meten van de eigenschappen van de ene de eigenschappen van de andere bepaalt. Het verstrengelen van qubits is een vereiste van quantum computing.

Deze verstrengeling is echter kwetsbaar. Wanneer qubits subtiele variaties in hun omgeving tegenkomen, verliezen ze hun "kwantumheid", die nodig is om kwantumalgoritmen te implementeren. Dit beperkt de krachtigste kwantumcomputers tot minder dan 100 qubits, en om deze qubits in een kwantumtoestand te houden, zijn grote machines nodig.

Om kwantumcomputing praktisch toe te passen, moeten ingenieurs die rekenkracht opschalen. Hudson en zijn collega's denken dat ze een eerste stap hebben gezet met het onderzoek, waarbij de theorie het team leidde om moleculen op maat te maken die kwantumgedrag beschermen.

De wetenschappers ontwikkelden kleine moleculen die calcium- en zuurstofatomen bevatten en fungeren als qubits. Deze calcium-zuurstofstructuren vormen wat chemici een functionele groep noemen, wat betekent dat het in bijna elk ander molecuul kan worden aangesloten terwijl het ook zijn eigen eigenschappen aan dat molecuul verleent.

Het team toonde aan dat hun functionele groepen hun gewenste structuur behielden, zelfs wanneer ze aan veel grotere moleculen waren gehecht. Hun qubits zijn ook bestand tegen laserkoeling, een belangrijke vereiste voor kwantumcomputers.

"Als we een kwantumfunctionele groep aan een oppervlak of een lang molecuul kunnen binden, kunnen we misschien meer qubits controleren," zei Hudson. "Het moet ook goedkoper zijn om op te schalen, want een atoom is een van de goedkoopste dingen in het universum. Je kunt er zoveel maken als je wilt."

In addition to its potential for next-generation computing, the quantum functional group could be a boon for basic discovery in chemistry and the life sciences, for instance by helping scientists uncover more about the structure and function of various molecules and chemicals in the human body.

"Qubits can also be exquisitely sensitive tools for measurement," said study co-author Justin Caram, a UCLA assistant professor of chemistry and biochemistry. "If we could protect them so they can survive in complex environments such as biological systems, we would be armed with so much new information about our world."

Hudson said that the development of a chemically based quantum computer could realistically take decades and is not certain to succeed. Future steps include anchoring qubits to larger molecules, coaxing tethered qubits to interact as processors without unwanted signaling, and entangling them so that they work as a system.

The project was seeded by a Department of Energy grant that gave the physicists and chemists the chance to cut through discipline-specific jargon and speak in a common scientific language. Caram also credits UCLA's atmosphere of easy collaboration.

"This is one of the most intellectually fulfilling projects I've ever worked on," he said. "Eric and I first met having lunch at the Faculty Center. This was born out of fun conversations and being open to talking to new people." + Verder verkennen

Quantumcomputer werkt met meer dan nul en één