Een team van kwantumcomputerfysici bij UNSW Sydney heeft een kwantumprocessor op atomaire schaal ontwikkeld om het gedrag van een klein organisch molecuul te simuleren, en lost daarmee een uitdaging op die zo'n 60 jaar geleden werd gesteld door theoretisch natuurkundige Richard Feynman.

De prestatie, die twee jaar eerder plaatsvond dan gepland, is een belangrijke mijlpaal in de race om 's werelds eerste kwantumcomputer te bouwen en toont het vermogen van het team om de kwantumtoestanden van elektronen en atomen in silicium te beheersen op een voortreffelijk niveau dat nog niet eerder is bereikt.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in het tijdschrift Nature , beschreven de onderzoekers hoe ze de structuur en energietoestanden van de organische verbinding polyacetyleen konden nabootsen - een zich herhalende keten van koolstof- en waterstofatomen die zich onderscheiden door afwisselende enkele en dubbele koolstofbindingen.

Hoofdonderzoeker en voormalig Australiër van het jaar, Scientia-professor Michelle Simmons, zei dat het team van Silicon Quantum Computing, een van de meest opwindende start-ups van UNSW, een quantum-geïntegreerd circuit heeft gebouwd dat bestaat uit een keten van 10 quantum dots om de precieze locatie van atomen te simuleren in de polyacetyleenketen.

"Als je teruggaat naar de jaren vijftig, zei Richard Feynman dat je niet kunt begrijpen hoe de natuur werkt, tenzij je materie op dezelfde lengteschaal kunt bouwen", zei prof. Simmons.

"En dat is wat we doen, we bouwen het letterlijk van onder naar boven, waarbij we het polyacetyleenmolecuul nabootsen door atomen in silicium te plaatsen met de exacte afstanden die de enkele en dubbele koolstof-koolstofbindingen vertegenwoordigen."

Kettingreactie

Het onderzoek was gebaseerd op het meten van de elektrische stroom door een opzettelijk geconstrueerde replica van 10 kwantumpunten van het polyacetyleenmolecuul terwijl elk nieuw elektron van de bronuitgang van het apparaat naar de afvoer ging - het andere uiteinde van het circuit.

Om dubbel zeker te zijn, simuleerden ze twee verschillende strengen van de polymeerketens.

In het eerste apparaat sneden ze een fragment van de ketting om aan het einde dubbele bindingen achter te laten, wat 10 pieken in de stroom oplevert. In het tweede apparaat sneden ze een ander fragment van de ketting om aan het einde enkele bindingen achter te laten die slechts aanleiding gaven tot twee pieken in de stroom. De stroom die door elke keten gaat, was daarom dramatisch verschillend vanwege de verschillende bindingslengtes van de atomen aan het einde van de keten.

De metingen kwamen niet alleen overeen met de theoretische voorspellingen, ze kwamen perfect overeen.

"Wat het laat zien, is dat je letterlijk kunt nabootsen wat er werkelijk in het echte molecuul gebeurt. En dat is waarom het opwindend is omdat de handtekeningen van de twee ketens heel verschillend zijn", zei prof. Simmons.

"De meeste andere kwantumcomputerarchitecturen die er zijn, hebben niet de mogelijkheid om atomen met sub-nanometerprecisie te ontwerpen of de atomen zo dichtbij te laten zitten.

"En dat betekent dat we nu steeds meer gecompliceerde moleculen kunnen gaan begrijpen op basis van het plaatsen van de atomen alsof ze het echte fysieke systeem nabootsen."

Aan de rand staan

Volgens prof. Simmons was het geen toeval dat er werd gekozen voor een koolstofketen van 10 atomen, want dat valt binnen de limiet van wat een klassieke computer kan berekenen, met tot 1024 afzonderlijke interacties van elektronen in dat systeem. Door het te verhogen tot een keten van 20 punten, zou het aantal mogelijke interacties exponentieel toenemen, waardoor het voor een klassieke computer moeilijk op te lossen is.

"We hebben de limiet bereikt van wat klassieke computers kunnen doen, dus het is alsof je van de rand stapt in het onbekende", zegt ze.

"En dit is het opwindende, we kunnen nu grotere apparaten maken die verder gaan dan wat een klassieke computer kan modelleren. Dus we kunnen kijken naar moleculen die nog niet eerder zijn gesimuleerd. We zullen de wereld kunnen begrijpen op een andere manier, door fundamentele vragen aan te pakken die we nooit eerder hebben kunnen oplossen."

Een van de vragen waarop prof. Simmons zinspeelde, gaat over het begrijpen en nabootsen van fotosynthese - hoe planten licht gebruiken om chemische energie te creëren voor groei. Of inzicht in hoe het ontwerp van katalysatoren voor meststoffen kan worden geoptimaliseerd, wat momenteel een energierijk en kostbaar proces is.

"Dus er zijn enorme implicaties voor het fundamenteel begrijpen hoe de natuur werkt," zei ze.

Toekomstige kwantumcomputers

Er is de afgelopen drie decennia veel geschreven over kwantumcomputers, waarbij de vraag van een miljard dollar altijd luidt:"maar wanneer kunnen we er een zien?"

Prof. Simmons zegt dat de ontwikkeling van kwantumcomputers zich op een vergelijkbaar traject bevindt als hoe klassieke computers evolueerden - van een transistor in 1947 tot een geïntegreerde schakeling in 1958, en vervolgens kleine computerchips die ongeveer vijf jaar daarna in commerciële producten zoals rekenmachines werden verwerkt .

"En dus repliceren we die routekaart nu voor kwantumcomputers", zegt prof. Simmons.

"We zijn in 2012 begonnen met een transistor met één atoom. En dit laatste resultaat, gerealiseerd in 2021, is het equivalent van de quantum-geïntegreerde schakeling op atoomschaal, twee jaar eerder. Als we het toewijzen aan de evolutie van klassieke informatica, kunnen we' opnieuw voorspellen dat we over vijf jaar een soort commercieel resultaat van onze technologie zullen hebben."

Een van de voordelen die het onderzoek van het UNSW/SQC-team met zich meebrengt, is dat de technologie schaalbaar is omdat het erin slaagt om minder componenten in het circuit te gebruiken om de qubits te besturen - de basisbits van kwantuminformatie.

"In kwantumsystemen heb je iets nodig dat de qubits creëert, een soort structuur in het apparaat waarmee je de kwantumtoestand kunt vormen", zegt prof. Simmons.

"In ons systeem creëren de atomen zelf de qubits, waardoor er minder elementen in de circuits nodig zijn. We hadden slechts zes metalen poorten nodig om de elektronen in ons 10-punts systeem te besturen - met andere woorden, we hebben minder poorten dan er actieve apparaatcomponenten zijn Terwijl de meeste kwantumcomputerarchitecturen bijna het dubbele aantal of meer besturingssystemen nodig hebben om de elektronen in de qubit-architectuur te verplaatsen."

Doordat er minder componenten dicht op elkaar zijn gepakt, wordt de hoeveelheid interferentie met de kwantumtoestanden geminimaliseerd, waardoor apparaten kunnen worden opgeschaald om complexere en krachtigere kwantumsystemen te maken.

"Dus die zeer lage fysieke poortdichtheid is ook erg opwindend voor ons, omdat het laat zien dat we dit mooie schone systeem hebben dat we kunnen manipuleren, met behoud van samenhang over lange afstanden met minimale overhead in de poorten. Daarom is het waardevol voor schaalbare kwantumcomputers."

Vooruitkijkend zullen prof. Simmons en haar collega's grotere verbindingen onderzoeken die misschien theoretisch zijn voorspeld, maar die nog nooit zijn gesimuleerd en volledig zijn begrepen, zoals supergeleiders bij hoge temperaturen. + Verder verkennen

Foutloze kwantumcomputing wordt werkelijkheid