یک گام بزرگ رو به جلو در محاسبات کوانتومی به تازگی اعلام شد: اولین مدار کوانتومی

دانشمندان استرالیایی اولین مدار کامپیوتر کوانتومی جهان را ساخته اند – مداری که شامل تمام اجزای ضروری موجود در یک تراشه کامپیوتری کلاسیک اما در مقیاس کوانتومی است.

این اکتشاف برجسته که امروز در Nature منتشر شد، نه سال در حال ساخت بود.

میشل سیمونز، نویسنده ارشد و فیزیکدان کوانتومی، بنیانگذار هدف سیلیکون محاسبات کوانتومی و مدیر مرکز عالی محاسبات کوانتومی و فناوری ارتباطات در UNSW به ScienceAlert گفت.

نه تنها سیمونز و تیمش ایجاد کردند. چیزی که اساساً یک پردازنده کوانتومی کاربردی است، آن‌ها همچنین با مدل‌سازی یک مولکول کوچک که در آن هر اتم چندین حالت کوانتومی دارد، آن را با موفقیت آزمایش کردند – چیزی که یک کامپیوتر سنتی برای رسیدن به آن تلاش می‌کند.

این نشان می‌دهد که ما اکنون یک قدم به استفاده از قدرت پردازش کوانتومی برای درک بیشتر دنیای اطرافمان، حتی در کوچک‌ترین مقیاس، نزدیک‌تر شده‌ایم.

“در دهه ۱۹۵۰، ریچارد فاینمن گفت ما هرگز نمی‌فهمیم جهان چگونه کار می‌کند – طبیعت چگونه کار می‌کند – مگر اینکه ما سیمونز به ScienceAlert گفت.

“اگر بتوانیم مواد را در آن سطح درک کنیم، می‌توانیم چیزهایی طراحی کنیم که قبلاً هرگز ساخته نشده‌اند.

“سوال این است: چگونه می‌توانید طبیعت را در آن سطح کنترل کنید. سطح؟

آخرین اختراع به دنبال ایجاد اولین ترانزیستور کوانتومی توسط تیم در سال ۲۰۱۲ است. 

(A ترانزیستور دستگاه کوچکی است که سیگنال‌های الکترونیکی را کنترل می‌کند و تنها بخشی از یک مدار کامپیوتری را تشکیل می‌دهد. یک مدار مجتمع پیچیده‌تر است زیرا تعداد زیادی ترانزیستور را در کنار هم قرار می‌دهد.)

برای ایجاد این جهش در محاسبات کوانتومی، محققان از یک میکروسکوپ تونلی روبشی در خلاء فوق‌العاده بالا برای قرار دادن نقاط کوانتومی با دقت زیر نانومتری استفاده کردند.

محل قرارگیری هر کوانتومی. نقطه باید دقیقاً درست باشد تا مدار بتواند نحوه جهش الکترون ها در امتداد رشته ای از کربن های تک پیوندی و دو پیوندی در یک مولکول پلی استیلن را تقلید کند. فسفر باید در هر نقطه کوانتومی باشد. فاصله هر نقطه دقیقا چقدر باید باشد. و سپس مهندسی ماشینی که بتواند نقاط ریز را دقیقاً در چینش درست داخل تراشه سیلیکونی قرار دهد.

اگر نقاط کوانتومی بیش از حد بزرگ باشند، برهمکنش بین دو نقطه “بسیار بزرگ برای کنترل مستقل آنها” می شود. محققان می گویند.

اگر نقاط خیلی کوچک باشند، تصادفی بودن را نشان می دهد، زیرا هر اتم فسفر اضافی می تواند مقدار انرژی لازم برای افزودن یک الکترون دیگر به نقطه را به میزان قابل توجهی تغییر دهد.

تراشه کوانتومی نهایی حاوی ۱۰ نقطه کوانتومی بود که هر کدام از تعداد کمی اتم فسفر تشکیل شده بود.

پیوندهای کربنی دوگانه با قرار دادن فاصله کمتر شبیه‌سازی شدند. بین نقاط کوانتومی نسبت به پیوندهای تک کربنی.

پلی استیلن به این دلیل انتخاب شد که یک مدل شناخته شده است و بنابراین می‌توان از آن برای اثبات اینکه رایانه به درستی حرکت الکترون‌ها را از طریق مولکول شبیه‌سازی می‌کند، استفاده کرد.

رایانه‌های کوانتومی مورد نیاز است زیرا رایانه‌های کلاسیک نمی‌توانند مولکول‌های بزرگ را مدل‌سازی کنند. ; آنها بیش از حد پیچیده هستند.

به عنوان مثال، برای شبیه سازی مولکول پنی سیلین با ۴۱ اتم، یک کامپیوتر کلاسیک به ۱۰^۸۶ ترانزیستور نیاز دارد که “ترانزیستورهای بیشتری از اتم های موجود در جهان قابل مشاهده”.

برای یک کامپیوتر کوانتومی، فقط به یک پردازنده با ۲۸۶ نیاز دارد. کیوبیت (بیت کوانتومی).

از آنجایی که دانشمندان در حال حاضر دید محدودی درباره نحوه عملکرد مولکول‌ها در مقیاس اتمی دارند، حدس‌های زیادی برای ایجاد مواد جدید وجود دارد.

“یکی از جام‌های مقدس همیشه دمای بالا را ایجاد کرده است ابررسانا، سیمونز می گوید. مردم مکانیسم نحوه عملکرد آن را نمی دانند.

یکی دیگر از کاربردهای بالقوه برای محاسبات کوانتومی، مطالعه فتوسنتز مصنوعی و چگونگی تبدیل نور به انرژی شیمیایی از طریق زنجیره آلی واکنش‌ها است.

یکی دیگر از مشکلات بزرگ رایانه‌های کوانتومی که می‌توانند به حل آن کمک کنند، ایجاد کودهای شیمیایی است. پیوندهای نیتروژن سه گانه در حال حاضر تحت شرایط دما و فشار بالا در حضور یک کاتالیزور آهن شکسته می شوند تا نیتروژن ثابت برای کود ایجاد شود.

پیدا کردن کاتالیزور متفاوتی که بتواند کود را به طور موثرتری تولید کند، می تواند باعث صرفه جویی در هزینه و هزینه زیادی شود. انرژی.

سیمونز می گوید که دستیابی به جابجایی از ترانزیستور کوانتومی به مدار تنها در ۹ سال تقلید از نقشه راه تعیین شده توسط مخترعان کامپیوترهای کلاسیک است.

اولین ترانزیستور کامپیوتری کلاسیک در سال ۱۹۴۷ ایجاد شد. اولین مدار مجتمع در سال ۱۹۵۸ ساخته شد. تیم سیمونز این جهش را دو سال زودتر از موعد مقرر انجام داد.

این مقاله در Nature منتشر شده است.