Создана первая в истории квантовая схема

Австралийские ученые создали первую в мире схему квантового компьютера - схему, содержащую все основные компоненты классического компьютерного чипа, но в квантовом масштабе. 

Это эпохальное открытие, опубликованное сегодня в журнале Nature, готовилось девять лет. 

"Это самое захватывающее открытие в моей карьере", - сказала ScienceAlert старший автор работы и квантовый физик Мишель Симмонс, основатель Silicon Quantum Computing и директор Центра передового опыта в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий в UNSW.

Симмонс и ее команда не только создали, по сути, функциональный квантовый процессор, но и успешно протестировали его, смоделировав небольшую молекулу, в которой каждый атом имеет несколько квантовых состояний - то, чего с трудом смог бы достичь традиционный компьютер. 

Это говорит о том, что мы стали на шаг ближе к тому, чтобы наконец-то использовать квантовые вычислительные мощности для понимания окружающего нас мира, даже в мельчайших масштабах.

"В 1950-х годах Ричард Фейнман сказал, что мы никогда не поймем, как устроен мир - как устроена природа - пока не начнем создавать его в том же масштабе", - сказал Симмонс в интервью ScienceAlert. 

Если мы сможем начать понимать материалы на таком уровне, мы сможем создавать вещи, которые никогда не были созданы раньше".

"Вопрос в том, как на самом деле контролировать природу на этом уровне?"

Последнее изобретение последовало за созданием командой первого в истории квантового транзистора в 2012 году. 

(Транзистор - это небольшое устройство, которое управляет электронными сигналами и является лишь одной из частей компьютерной схемы. Интегральная схема более сложна, поскольку в ней соединено множество транзисторов).

Чтобы совершить этот скачок в квантовых вычислениях, исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп в сверхвысоком вакууме для размещения квантовых точек с субнанометровой точностью.

Размещение каждой квантовой точки должно было быть правильным, чтобы схема могла имитировать то, как электроны перемещаются вдоль ряда одно- и двусвязанных углеродов в молекуле полиацетилена. 

Самым сложным было выяснить, сколько именно атомов фосфора должно быть в каждой квантовой точке, на каком расстоянии друг от друга должна находиться каждая точка, а затем разработать машину, которая могла бы разместить крошечные точки в точно таком же порядке внутри кремниевого чипа.

Если квантовые точки слишком большие, взаимодействие между двумя точками становится "слишком большим, чтобы независимо управлять ими", говорят исследователи.

Если точки слишком малы, то это вносит случайность, поскольку каждый дополнительный атом фосфора может существенно изменить количество энергии, необходимое для добавления еще одного электрона к точке. 

Окончательный квантовый чип содержал 10 квантовых точек, каждая из которых состояла из небольшого количества атомов фосфора.

Двойные углеродные связи имитировались за счет меньшего расстояния между квантовыми точками, чем одинарные углеродные связи.

Полиацетилен был выбран потому, что это хорошо известная модель, и поэтому ее можно было использовать для доказательства того, что компьютер правильно имитирует движение электронов по молекуле.

Квантовые компьютеры необходимы, потому что классические компьютеры не могут моделировать большие молекулы - они просто слишком сложны. 

Например, чтобы создать симуляцию молекулы пенициллина с 41 атомом, классическому компьютеру понадобилось бы 1086 транзисторов, то есть "больше транзисторов, чем атомов в наблюдаемой Вселенной". 

Для квантового компьютера потребуется только процессор с 286 кубитами (квантовыми битами). 

Поскольку в настоящее время ученые имеют ограниченное представление о том, как функционируют молекулы на атомном уровне, при создании новых материалов приходится много гадать. 

"Одним из святых граалей всегда было создание высокотемпературного сверхпроводника", - говорит Симмонс. "Люди просто не знают механизма, как это работает". 

Еще одно потенциальное применение квантовых вычислений - изучение искусственного фотосинтеза и того, как свет преобразуется в химическую энергию с помощью органической цепочки реакций. 

Еще одна важная проблема, которую могли бы решить квантовые компьютеры, - это создание удобрений. В настоящее время тройные азотные связи разрываются в условиях высокой температуры и давления в присутствии железного катализатора для получения фиксированного азота для удобрений.

Нахождение другого катализатора, способного более эффективно производить удобрения, могло бы сэкономить много денег и энергии. 

Симмонс говорит, что достижение перехода от квантового транзистора к схеме всего за девять лет подражает пути, проложенному изобретателями классических компьютеров.

Первый транзистор для классического компьютера был создан в 1947 году. Первая интегральная схема была создана в 1958 году. Между этими двумя изобретениями прошло 11 лет; команда Симмонса совершила этот скачок на два года раньше запланированного срока.