科学家攻克60年前挑战 世界首个原子级量子集成电路诞生

据发表在《自然》杂志上的论文，澳大利亚新南威尔士大学量子计算机物理学家团队设计了一个原子尺度的量子处理器，能够模拟小有机分子的行为，攻克了大约60年前理论物理学家理查德·费曼提出的挑战。该校初创企业“硅量子计算”公司(SQC)6月23日宣布创造出世界上第一个原子级量子集成电路。

据SQC官网介绍，该团队2012年宣布制造出世界上第一个单原子晶体管，并提出到2023年实现原子级量子集成电路。现在，该目标提前实现了。

在制造出用作模拟量子处理器的原子级集成电路后，SQC团队用这种量子处理器精确地模拟了一个小的有机聚乙炔分子的量子态，从而证明了他们的量子系统建模技术的有效性。通过精确控制原子的量子态，新处理器可模拟分子的结构和特性，有望帮助科学家“解锁”未来的全新材料和催化剂。

在论文中，研究人员描述了他们是如何模拟有机化合物聚乙炔的结构和能量状态的。聚乙炔是一种由碳和氢原子组成的重复链，其中碳碳之间单双键交替。研究团队构建了一个由10个量子点链组成的量子集成电路，以模拟聚乙炔链中原子的精确位置，其中有6个金属门控制电子在电路中的流动。

首席研究员、SQC创始人米歇尔·西蒙斯称，选择10个原子的碳链并非偶然，因为它在经典计算机能够计算的大小限制之内，该系统中电子的独立相互作用多达1024个。若增加到20点链，则可能的相互作用的数量呈指数级增加，这将使经典计算机难以求解。

“在20世纪50年代，费曼提出，除非你能以相同的尺度构建物质，否则你无法理解大自然是如何运作的。”西蒙斯说，“这就是我们在做的事情，我们实际上是在自下而上构建它，通过将原子放入硅中来模拟聚乙炔分子，其精确的距离表示碳碳单键和碳碳双键。”

西蒙斯认为，这是一个重大突破。由于原子之间可能存在大量的相互作用，今天的经典计算机难以模拟相对较小的分子。SQC原子级电路技术的开发将使该公司及其客户能够为一系列新材料构建量子模型，无论这些新材料是药品、电池材料还是催化剂。