據外媒報道，當地時間6月23日，澳大利亞硅量子計算公司SQC（Silicon Quantum Computing）宣布制造出世界上第一個原子級量子集成電路。據悉，這是一個包含經典計算機芯片上所有基本組件的電路，但體量卻是在量子尺度上。
要知道，我們常見的量子計算芯片，無論是超導、離子阱，還是光子芯片，都是肉眼可見的。而該原子級量子集成電路，則需要通過掃描隧道顯微鏡等工具才能一探究竟。
▲集成量子電路（藝術圖）
除了體量上的突破，另外值得一提的是，這項成果還首次解決了著名理論物理學家理查德·費曼在63年前提出的一個難題：
1959年，費曼在演講《Plenty of Room at the Bottom》中斷言，如果你想了解大自然是如何運作的，那么你必須能夠在構成物質的相同長度尺度上控制物質。也就是說，你必須能夠在原子的長度尺度上控制物質。
這一難題整整困擾了人們60多年，直到今天，由新南威爾士大學教授、SQC創始人米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）帶領的團隊才證實了費曼的猜想，即利用硅中的原子組成，構建了世界上首個原子級量子集成電路。
▲在掃描隧道顯微鏡下的SQC原子級量子集成電路圖像
該報道指出，為了制造出原子級的量子集成電路，SQC需要實現三項原子級技術：
一是，制造出尺寸均勻的小原子點（即量子點），使其能級一致，電子可以輕易地穿過其中；
二是，不僅能單獨調整每個量子點的能級，也可以集體調整全部量子點的能級，以控制量子信息的傳輸；
三是，能夠在亞納米的精度上控制量子點之間的距離，使其距離足夠近，但又保持獨立性，以便電子在鏈上進行量子相干傳輸。
目前，SQC團隊已經使用原子級量子集成電路精確地模擬了一個小型有機聚乙炔分子的量子態，從而證明了他們的量子系統建模技術的有效性。通過精確控制原子的量子態，新處理器可以模擬分子的結構和特性，這將有助于科學家發現和制造全新的材料，并在一定程度上推動社會的發展。
▲在《自然》雜志發表論文的SQC團隊
據了解，這項成果論文日前已發表在最新的《自然》雜志上。在論文中，研究人員描述了他們是如何模擬有機化合物聚乙炔的結構和能量狀態的：
聚乙炔是一種由碳和氫原子組成的重復鏈，其結構包括單雙鍵交替的共軛結構，目前可用于制備太陽能電池、半導體材料和電活性聚合物等。研究團隊構建了一個由10個量子點鏈組成的量子集成電路，以模擬聚乙炔鏈中原子的精確位置，其中有6個金屬門控制電子在電路中的流動。
▲聚乙炔結構圖，顯示碳原子和氫原子之間的單鍵和雙鍵
Simmons教授表示，選擇一條由10個原子組成的碳鏈并非偶然，因為它在經典計算機能夠計算的大小范圍之內，在該系統中有多達1024個獨立的電子相互作用。如果將其增加到20個點的鏈，則可能的相互作用的數量會呈指數級增長，這將使經典計算機很難求解。“我們已經接近了經典計算機的極限，所以這就像是從邊緣走向未知。”
“在20世紀50年代，費曼提出，除非你能以相同的尺度構建物質，否則你無法理解大自然是如何運作的。”Simmons說，“這就是我們在做的事情，我們實際上是在自下而上構建它，通過將原子放入硅中來模擬聚乙炔分子，其精確的距離表示碳碳單鍵和碳碳雙鍵。”
▲SQC創始人米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）
Simmons認為，這項成果是一個重大突破。由于原子之間可能存在大量的相互作用，今天的經典計算機難以模擬相對較小的分子。SQC原子級電路技術的開發，將使該公司及其客戶能夠為一系列新材料構建量子模型，無論這些新材料是藥品、電池材料，還是催化劑。
未來，隨著技術的不斷突破，人們將解決更多專業的問題，發展更高精尖端的技術。
