澳洲科學家們創造了世界上第一個量子電腦電路,包含了所有在傳統電腦晶片上會看到的基本元件,但是是在量子的尺度上。這個發佈於科學期刊《自然》Nature上的劃時代發現,花了 9 年的時間在打造上。

離目標更進一步

本研究資深作者、量子物理學家、矽量子電腦股份有限公司(Silicon Quantum Computing,SQC)創辦人暨澳洲新南威爾斯大學(University of New South Wales,UNSW)的量子電腦與溝通科技卓越發展中心(Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology,CQC2T)總監的蜜雪兒·西蒙斯教授(Michelle Simmons)說:「這是我的職業生涯中最令人興奮的發現。」

西蒙斯教授與她的團隊不僅創造出本質上是功能性量子處理器的東西,它們也藉由對每個原子都有多重量子態的分子打造模型,來成功地進行測試,這是傳統電腦會難以達成的目標。這表示說,我們現在離使用量子處理能力,來了解更多關於我們這個世界,甚至是最小尺度的目標更近一步了。

西蒙斯教授說:「在 1950 年代,理察·費曼教授(Richard Feynman)說,除非我們可以開始做到在同一個尺度上,不然我們永遠不會理解這個世界是如何運作的、這個大自然是如何運作的。如果我們可以開始在那個尺度上理解材料,我們就可以設計出之前從來沒有做過的東西。而問題就是:實際上要如何在那個等級上控制自然呢?」

這項最新的發明是緊接在該團隊於 2012 年,創造出第一台量子電晶體後到來的。電晶體是一個可以控制電子訊號的小型設備,僅構成電腦電路中的一部分。積體電路更為複雜,因為其中放置了很多電晶體在一起。

設計內容

為了在量子電腦中達成這個躍進,研究人員在超高真空中使用了掃描式穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope,STM),在亞奈米的精確度下放置量子點。

放置每一個量子點都必須剛好正確,如此一來,電路就可以模擬電子在一個聚乙炔分子中,是如何沿著一串單鍵碳與雙鍵碳而跳躍的。

最棘手的部分是理解出:在每顆量子點中到底應該要有幾顆磷原子;每顆量子點間應該要間隔多遠;然後,打造出一台機器,能夠在矽晶片中,將小的量子點放在剛剛好正確的排列上。

研究人員說,若是量子點太大,那麼兩個點之間的互動會變得「過大而無法獨立地控制它們。」如果量子點太小,則會導致隨機性,因為每顆額外的磷原子可能會大幅地改變其所吸收的能量,來加入另一顆電子到量子點中。最終的量子晶片包含了 10 顆量子點,每顆都由小量的磷原子所構成。

進行測試

比起單碳鍵,雙碳鍵是由在量子點間把距離縮短而模擬的。選擇了聚乙炔是因為它是一個已知的模型,也因此可以被用來證明電腦在正確地模擬分子間電子的運動。

需要量子電腦是因為,古典的電腦們無法建造大分子的模型。它們太過於複雜了。

比方說,要模擬具有 41 個原子的盤尼西林分子的話,一台古典電腦會需要 1086 個電晶體,這可是比原子的數量還要來得多。對量子電腦來說,它僅需要一個具有 286 量子位元(quantum bits,qubits)的處理器。

可能的應用

因為目前科學家們對在原子尺度下,分子是如何運作的所知有限,因此在創造新材料上,有許多的猜測。

西蒙斯教授說:「終極目標之一永遠都是製造出高溫超導體。人們就是不知道其運作的機制。」

另一個量子電腦的可能應用是研究人工光合作用,以及光是如何透過有機反應鏈來轉成化學能量的。

另一個量子電腦可以幫忙解決的大問題就是產生肥料。氮三鍵在鐵催化劑的存在下,會在高溫與高壓下斷裂,來產生用於肥料的固定氮。找到一個讓肥料更有效的不同催化劑,可以節省很多錢與能源。

西蒙斯教授說,僅僅九年就從量子電晶體轉到量子電路的成就,是模仿由古典電腦的發明人所設立的路線圖。第一顆古典電腦電晶體是在 1947 年創造出來的,而第一個積體電路是在 1958 年建造出的。兩項發明間相隔 11 年,而西蒙斯教授的團隊比起預期計畫早兩年完成這項躍進。

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參考資料:

  1. Nelson, F., (2022, June 22). A Huge Step Forward in Quantum Computing Was Just Announced: The First-Ever Quantum Circuit. ScienceAlert
  2. Kiczynski, M. et al., (2022, June 22). Engineering topological states in atom-based semiconductor quantum dots. Nature. doi.org/10.1038/s41586-022-04706-0
  3. 圖片來源:https://cosmosmagazine.com/technology/quantum-computer-coherent-silicon/(圖:SQC)
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