澳大利亞量子計(jì)算制造商Silicon Quantum Computing (SQC)今天宣布推出世界上第一個(gè)在原子尺度上制造的量子集成電路(量子處理器)，并利用該處理器首次解決了理查德·費(fèi)曼在63年前提出的難題[1]。這是SQC與新南威爾士大學(xué)Michelle Simmons教授團(tuán)隊(duì)合作實(shí)現(xiàn)的，后者是SQC的創(chuàng)始人，并將于7月1日正式就任CEO。
目前，我們常見(jiàn)的量子計(jì)算芯片，無(wú)論超導(dǎo)、離子阱還是光子芯片，都是肉眼可見(jiàn)。SQC表示，他們制造了世界上第一個(gè)原子級(jí)量子集成電路，需要通過(guò)掃描隧道顯微鏡等工具才能一探究竟。
Intel超導(dǎo)量子芯片(左上)；Xanadu光子芯片(右上)；SQC原子級(jí)集成電路(下)。前兩者為實(shí)物照片，后者為掃描隧道顯微鏡下的圖像。
Simmons團(tuán)隊(duì)在2012年宣布制造了世界上第一個(gè)單原子晶體管，并提出到2023年實(shí)現(xiàn)原子級(jí)量子集成電路的目標(biāo)，Simmons透露實(shí)際上提前兩年(2021年底)達(dá)成了目標(biāo)。他們的處理器由10個(gè)量子點(diǎn)鏈組成。在6月22日發(fā)表于《自然》雜志的一篇論文中[2]，他們使用這種量子處理器準(zhǔn)確地模擬了有機(jī)化合物聚乙炔的結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)，最終證明了該團(tuán)隊(duì)技術(shù)的有效性。
Simmons教授將其描述為她職業(yè)生涯中最大的成果。“這是一個(gè)重大突破。由于原子之間存在大量可能的相互作用，今天的經(jīng)典計(jì)算機(jī)甚至難以模擬相對(duì)較小的分子。SQC原子級(jí)電路技術(shù)的發(fā)展使得該公司及其客戶為一系列新材料構(gòu)建量子模型，無(wú)論是藥物、電池材料還是催化劑。用不了多久，我們就能開(kāi)始發(fā)現(xiàn)以前從未存在過(guò)的新材料?！?/p>
Simmons團(tuán)隊(duì)
為了實(shí)現(xiàn)第一個(gè)原子級(jí)量子集成電路，SQC利用了原子工程的三項(xiàng)獨(dú)立技術(shù)：
第一個(gè)是制造尺寸均勻的小原子點(diǎn)(即量子點(diǎn))，使它們的能級(jí)對(duì)齊，電子可以很容易地穿過(guò)它們。
第二個(gè)是能夠單獨(dú)調(diào)諧每個(gè)點(diǎn)的能級(jí)，但也可以集體調(diào)諧所有點(diǎn)的能級(jí)，以控制量子信息的傳遞。
第三個(gè)是團(tuán)隊(duì)能夠以亞納米精度控制點(diǎn)之間的距離，使點(diǎn)足夠接近，但保持獨(dú)立，以便電子在鏈上的量子相干輸運(yùn)。
Simmons教授說(shuō)，選擇一條由10個(gè)原子組成的碳鏈并不是偶然的，因?yàn)樗诮?jīng)典計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算的大小范圍內(nèi)，在該系統(tǒng)中有多達(dá)1024個(gè)獨(dú)立的電子相互作用。如果將其增加到20個(gè)點(diǎn)的鏈，可能的相互作用的數(shù)量將呈指數(shù)增長(zhǎng)，這使得經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難求解。
她說(shuō)：“我們已經(jīng)接近了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的極限，所以這就像是從邊緣走向未知?！?/p>
不同角度的效果圖。在集成電路中由10個(gè)量子點(diǎn)組成的鏈。
澳大利亞工業(yè)和科學(xué)部長(zhǎng)Hon Ed Husic對(duì)SQC的工作表示認(rèn)可[3]，SQC提前兩年推出了世界上第一個(gè)在原子尺度上制造的集成電路，并在開(kāi)發(fā)基于硅的量子計(jì)算方面處于世界領(lǐng)先地位?！鞍拇罄麃喌难芯磕芰樵趪?guó)內(nèi)和與我們志同道合的國(guó)際合作伙伴建立強(qiáng)大的量子產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)?！?/p>
通過(guò)世界上首個(gè)原子級(jí)量子集成電路，Simmons團(tuán)隊(duì)和SQC第一次解決了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、量子計(jì)算概念提出者、著名理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在63年前提出的難題。
1959年，費(fèi)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(yùn)作的，那么你必須能夠在構(gòu)成物質(zhì)的相同長(zhǎng)度尺度上控制物質(zhì)——也就是說(shuō)，你必須能夠在原子的長(zhǎng)度尺度上控制物質(zhì)。費(fèi)曼首次提出這一基礎(chǔ)理論63年后，Simmons團(tuán)隊(duì)證明了這一猜想。
該團(tuán)隊(duì)選擇處理聚乙炔——一種化學(xué)式為(C2H2)n的碳基分子鏈，其中n代表兩個(gè)氫原子和兩個(gè)碳原子的重復(fù)模式。
聚乙炔的符號(hào)圖，顯示碳原子和氫原子之間的單鍵和雙鍵。
聚乙炔中的原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合，共價(jià)鍵是原子共享外層電子的強(qiáng)分子鍵。單鍵意味著兩個(gè)鍵合原子共享一個(gè)外層電子。雙鍵表示兩個(gè)共享電子。聚乙炔鏈中碳原子之間交替的單鍵和雙鍵使該分子成為物理化學(xué)中一個(gè)有趣的研究對(duì)象。
Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型是一種眾所周知的分子理論表示，它考慮了原子及其電子之間的相互作用，并解釋了化合物的物理和化學(xué)性質(zhì)?！斑@是一個(gè)眾所周知的問(wèn)題，你可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決。然而經(jīng)典計(jì)算機(jī)能夠觀察所有相互作用的原子數(shù)量很少。但現(xiàn)在我們是在量子系統(tǒng)中進(jìn)行的?！盨immons說(shuō)[4]。
聚乙炔的球桿模型顯示了碳原子(深灰色)和氫原子(淺灰色)之間的單鍵和雙鍵。
該團(tuán)隊(duì)如何在他們的量子設(shè)備上模擬聚乙炔？
Simmons解釋道：“我們正在做的是讓實(shí)際的處理器本身模擬碳-碳單鍵和碳-碳雙鍵。我們以亞納米級(jí)的精度設(shè)計(jì)，試圖模擬硅系統(tǒng)中的這些鍵。這就是為什么它被稱為量子模擬器?！?/p>
利用機(jī)器中的原子晶體管，研究人員模擬了聚乙炔中的共價(jià)鍵。
根據(jù)SSH理論，聚乙炔中有兩種不同的情況，稱為“拓?fù)錉顟B(tài)”——“拓?fù)洹笔且驗(yàn)樗鼈兊膸缀涡螤畈煌?/p>
在第一種情況下，你可以在碳-碳單鍵處切斷鏈，所以在鏈的末端有雙鍵。在第二種情況下，你切斷雙鍵，在鏈的末端留下碳-碳單鍵，并由于單鍵的距離較長(zhǎng)，將兩端的兩個(gè)原子隔離開(kāi)來(lái)。當(dāng)電流通過(guò)分子鏈時(shí)，這兩種拓?fù)錉顟B(tài)表現(xiàn)出完全不同的行為。
在這項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了由十個(gè)量子點(diǎn)組成的鏈，并用它們來(lái)模擬所謂的SSH模型。
Simmons說(shuō)：“在我們的整個(gè)裝置中只有兩種原子——磷和硅。我們?nèi)サ袅怂衅渌麞|西，所有的接口、電介質(zhì)、所有在其他架構(gòu)中引起問(wèn)題的東西，我們只有這兩種原子。在概念上很簡(jiǎn)單，但顯然很難制造。這是一個(gè)很好的、干凈的、物理的、可擴(kuò)展的系統(tǒng)。
她補(bǔ)充說(shuō)：“挑戰(zhàn)在于如何將原子放置到位，然后如何知道它在那里？我們花了整整十年的時(shí)間才弄清楚讓磷原子進(jìn)入硅基質(zhì)以使其受到保護(hù)的化學(xué)過(guò)程。我們使用的技術(shù)之一是掃描隧道顯微鏡(STM)，一種光刻工具?！?/p>
在將一塊硅板放入真空中后，研究團(tuán)隊(duì)首先將襯底加熱到1100 ，然后逐漸冷卻到350 左右，創(chuàng)建了一個(gè)平坦的二維硅表面。然后硅被氫原子(可以用STM探針選擇性地單獨(dú)去除)覆蓋。磷原子被放置在氫層中新形成的間隙中，然后整個(gè)氫層被另一層硅覆蓋。
在原子尺度上模擬的SQC量子裝置。
Simmons表示：“我們沒(méi)有使用單個(gè)原子來(lái)模擬碳原子，而是使用了25個(gè)磷原子?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們能夠控制電子沿著鏈的流動(dòng)。他們證明，對(duì)于由10個(gè)點(diǎn)組成的鏈，只需要6個(gè)電極就可以做到這一點(diǎn)。所以，電極比實(shí)際的點(diǎn)數(shù)量少很多。這對(duì)擴(kuò)展非常有利。因?yàn)閺母旧险f(shuō)，在量子計(jì)算機(jī)中，你希望與有源元件相比，門的數(shù)量更少，否則它擴(kuò)展的效果會(huì)很差?！?/p>
Simmons認(rèn)為，他們的設(shè)備不僅符合SSH理論，而且量子計(jì)算機(jī)很快將開(kāi)始模擬甚至超出我們最佳理論的問(wèn)題?！斑@為我們打開(kāi)了一扇通向我們以前從未想象過(guò)的事物的大門?！?/p>
該設(shè)備與其他量子計(jì)算機(jī)有類似的缺點(diǎn)——特別是，龐大的制冷機(jī)帶來(lái)高成本和高能耗問(wèn)題，需要接近絕對(duì)零度。
出于商業(yè)機(jī)密的考慮，Simmons對(duì)SQC在這次初步展示后正在進(jìn)行的項(xiàng)目避而不談。但她確實(shí)表示:“我們希望盡可能將它應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，看看我們能有什么發(fā)現(xiàn)?！?/p>
參考鏈接：
[1]http://sqc.com.au/2022/06/23/silicon-quantum-computing-announces-worlds-first-quantum-integrated-circuit/
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0
[3]https://www.minister.industry.gov.au/ministers/husic/media-releases/quantum-breakthrough-fuel-australian-industry
[4]https://cosmosmagazine.com/technology/quantum-computer-coherent-silicon/
