6月23日，澳大利亚量子计算公司SQC（SiliconQuantumComputing）宣布推出全球首个量子集成电路。这是一个电路，包含经典计算机芯片上的所有基本组件，但在量子尺度上。SQC团队使用该量子处理器准确模拟了有机聚乙炔分子的量子态，最终证明了新量子系统建模技术的有效性。“这是一个重大突破，”SQC创始人米歇尔·西蒙斯(MichelleSimmons)说。由于原子之间存在大量可能的相互作用，今天的经典计算机甚至难以模拟相对较小的分子。SQC原子级电路技术的发展将使公司及其客户能够建立一系列新材料的量子模型，无论是药物、电池材料还是催化剂。用不了多久，我们就可以开始认识以前从未存在过的新材料。”研究结果发表在新一期的《自然》杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0在量子层面复制经典计算机就像普通（经典）计算机一样，量子计算机使用晶体管来编码信息。但是，与经典计算机不同的是，量子计算机的晶体管处于量子尺度——小至原子大小。经典计算机使用0和1位，而量子晶体管使用0、1或0和1的混合来编码量子信息。工程师可以利用单原子晶体管的量子效应进行计算。但在量子世界中，事情并没有那么简单。在量子世界中，粒子以“叠加”的形式存在——它们的位置、动量和其他物理属性不是由单一值定义的，而是由概率表示的。通过叠加，量子比特可以存储比普通比特复杂得多的多维计算数据。因此，量子计算机有望比经典计算机快数千甚至数百万倍，执行计算的效率甚至比最强大的经典计算机还要高。不过，它们也有其他的魔力。当叠加态扩展到多个系统或原子时，你会得到一个“纠缠态”，其中量子比特相互链接。当量子位发生纠缠时，它们的变化会相互影响。这种量子效应有望应用于加密领域。但与此同时，这种效应也给科学家构建可用的量子计算机带来了难题。最重要的是，量子系统的概率性质意味着它们极易出错。因此，创建量子机器的一个主要挑战是使它们相干以减少信号中的噪声。SQC团队认为他们已经解决了这个问题。“要创建一台量子计算机，我们必须在原子尺度上工作，这样我们才能访问量子态并使它们连贯且快速，”SQC创始人兼该论文的通讯作者米歇尔·西蒙斯(MichelleSimmons)说。通讯作者MichelleSimmons西蒙斯的团队在2012年建造了世界上第一个单原子晶体管，并在2021年建造了第一个原子级集成电路。使用，我们需要解决某种商业相关的算法。刚开始的时候，我们不知道要在什么电路上演示。什么。”团队选择了聚乙炔——一种碳基分子链，分子式为(C2H2)n，n代表重复。,双键意味着两个电子共享。聚乙炔链中碳原子之间单键和双键的交替使该分子成为物理化学中有趣的研究对象。Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型是一种众所周知的分子理论表示，它使用原子与其电子之间的相互作用来解释化合物的物理和化学性质。“这是一个众所周知的问题，可以用经典计算机解决，因为其中的原子很少西蒙斯说：“经典计算机可以处理所有相互作用。但我们现在正试图用量子系统解决它。”碳原子（深灰色）和氢原子（浅灰色）之间的单键和双键。那么SQC团队是如何在他们的量子设备上模拟聚乙炔的呢？“我们让处理器本身模拟碳原子之间的单键和双键，”西蒙斯解释说，“我们以亚纳米精度对其进行设计，以试图模拟硅系统内的化学键。这就是所谓的量子模拟模拟器。”研究人员在机器中使用原子晶体管，模拟了聚乙炔中的共价键。根据SSH理论，聚乙炔中有两种不同的状态，称为“拓扑状态”——因其不同的几何形状而得名。在一种状态下，您可以切割链接在单个碳碳键上，因此在链的末端有一个双键。或者，您可以切断双键并在链的末端留下一个单键，由于距离较长单键，将两端的原子分开。当电流通过分子链时，这两种拓扑状态表现出完全不同的行为。这就是它背后的理论。“当我们建造这个装置时，我们看到了这种行为，”西蒙斯说。“所以这非常令人兴奋。墨尔本大学量子计算高级讲师查尔斯希尔博士对此表示赞同。“量子技术最有前途的应用场景之一是使用一个量子系统来模拟其他量子系统，”希尔说。“在这项工作中，作者考虑了由十个量子点组成的链，并用它们来模拟所谓的SSH模型。这是一项了不起的工程。用于该演示的量子设备是以亚纳米精度制造的。这个实验为未来模拟更大、更复杂的量子系统铺平了道路。”根据西蒙斯的说法，复杂的生产过程的优势在于你“不是在创造一种你必须发明并弄清楚如何制造的新材料。”“我们确实拥有原子级的亚纳米级精度，”她补充道，“而且原子本身就在硅基体中，所以我们正在用半导体工业中已经使用的材料构建系统。”“整个设备中只有两种原子——磷和硅。我们摆脱了所有其他的东西，所有的接口，电介质，所有在其他架构中引起问题的东西。它的概念很简单，但制作起来显然具有挑战性。这是一个很好的、干净的、物理的、可扩展的系统。”“挑战在于如何将原子放置到位并且你知道它就在那里。我们花了十年时间才弄清楚如何让磷原子进入硅基体并保护它。”我们使用的（其中一种）技术是扫描隧道显微镜(STM)，这是一种光刻工具。”将硅板置于真空中后，团队首先将基板加热至1100°C，然后逐渐冷却至350°C左右形成一个平坦的二维硅表面。然后硅被氢原子覆盖，氢原子可以使用STM尖端选择性地和单独地去除。在整个东西被另一层硅覆盖之前，磷原子被放置在新的“这意味着我们一次只能构建一个设备，”Simmons承认，“但我认为它就像一块瑞士手表——它可以非常精确并且需要手工制作。我的观点是，要构建可扩展的系统，您需要那种精确度。没有足够的精度，你很难建立一个量子态，因为你不知道你拥有什么。所以我们的观点是：是的，它更慢，但你知道你能得到什么。”一旦设备建成，研究团队选择的算法将具有“历史意义”。“模拟算法是理查德·费曼(RichardFeynman)从1950年代开始的梦想，”西蒙斯解释道。“如果你想了解自然是如何运作的，你必须在那个长度尺度上构建它。我们能否以亚纳米精度模拟碳分子的单键和双键？事实上，我们发现自己不是使用单个原子来建模碳原子，使用25个磷原子。该团队发现他们可以控制电子沿链路的流动。“因此，您拥有个人和本地控制以及扩展控制，”西蒙斯说。“我们已经证明，只用六个电极就可以建立10点连接。因此电极数量远少于实际点数。这对于缩放非常有用。因为从根本上说，在量子计算机中，有源组件不是，你总是想建造更少的门，否则它的扩展性会很差。”新设备不仅符合SSH理论，而且Simmons认为量子计算机将很快开始模拟超出当前最优理论的问题。说。该设备与其他量子计算机有类似的缺点——特别是需要巨大的冷却系统来保持工作温度接近绝对零，这是能源和成本密集型的??。西蒙斯对SQC在之后的工作项目守口如瓶最初的演示，引用商业机密。不过，她说：我们希望将它应用到尽可能多的不同事物上，看看我们发现了什么。“我们可以让电子相干地穿过链接这一事实告诉我们，这是一个非常量子连贯的系统，”她说。“这让我们相信物理系统是非常稳定的。”这是系统纯度的证明，它可以沿着许多不同的路径前进。制造更大的物理系统ems绝对是其中之一。观察自旋态而不是电荷态是另一回事。”西蒙斯将这项工作描述为“一次旅程”，展示了它的跨学科性质——量子物理学家、化学家、工程师和软件工程师都参与其中。“这对年轻人来说是一个令人兴奋的领域，”她说。“这是一个基础科学研究项目演变为实用工具的案例。”
