澳大利亞量子計算制造商Silicon Quantum Computing (SQC)今天宣布推出世界上第一個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·費曼在63年前提出的難題[1]。這是SQC與新南威爾士大學Michelle Simmons教授團隊合作實現(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，我們常見的量子計算芯片，無論超導、離子阱還是光子芯片，都是肉眼可見。SQC表示，他們制造了世界上第一個原子級量子集成電路，需要通過掃描隧道顯微鏡等工具才能一探究竟。
Intel超導量子芯片(左上)；Xanadu光子芯片(右上)；SQC原子級集成電路(下)。前兩者為實物照片，后者為掃描隧道顯微鏡下的圖像。
Simmons團隊在2012年宣布制造了世界上第一個單原子晶體管，并提出到2023年實現(xiàn)原子級量子集成電路的目標，Simmons透露實際上提前兩年(2021年底)達成了目標。他們的處理器由10個量子點鏈組成。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確地模擬了有機化合物聚乙炔的結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)，最終證明了該團隊技術(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)典計算機甚至難以模擬相對較小的分子。SQC原子級電路技術(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，無論是藥物、電池材料還是催化劑。用不了多久，我們就能開始發(fā)現(xiàn)以前從未存在過的新材料?！?/p>
Simmons團隊
為了實現(xiàn)第一個原子級量子集成電路，SQC利用了原子工程的三項獨立技術(shù)：
第一個是制造尺寸均勻的小原子點(即量子點)，使它們的能級對齊，電子可以很容易地穿過它們。
第二個是能夠單獨調(diào)諧每個點的能級，但也可以集體調(diào)諧所有點的能級，以控制量子信息的傳遞。
第三個是團隊能夠以亞納米精度控制點之間的距離，使點足夠接近，但保持獨立，以便電子在鏈上的量子相干輸運。
Simmons教授說，選擇一條由10個原子組成的碳鏈并不是偶然的，因為它在經(jīng)典計算機能夠計算的大小范圍內(nèi)，在該系統(tǒng)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，可能的相互作用的數(shù)量將呈指數(shù)增長，這使得經(jīng)典計算機很難求解。
她說：“我們已經(jīng)接近了經(jīng)典計算機的極限，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個量子點組成的鏈。
澳大利亞工業(yè)和科學部長Hon Ed Husic對SQC的工作表示認可[3]，SQC提前兩年推出了世界上第一個在原子尺度上制造的集成電路，并在開發(fā)基于硅的量子計算方面處于世界領先地位。“澳大利亞的研究能力為在國內(nèi)和與我們志同道合的國際合作伙伴建立強大的量子產(chǎn)業(yè)奠定了基礎。”
通過世界上首個原子級量子集成電路，Simmons團隊和SQC第一次解決了諾貝爾物理學獎獲得者、量子計算概念提出者、著名理論物理學家理查德·費曼在63年前提出的難題。
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(gòu)成物質(zhì)的相同長度尺度上控制物質(zhì)——也就是說，你必須能夠在原子的長度尺度上控制物質(zhì)。費曼首次提出這一基礎理論63年后，Simmons團隊證明了這一猜想。
該團隊選擇處理聚乙炔——一種化學式為(C2H2)n的碳基分子鏈，其中n代表兩個氫原子和兩個碳原子的重復模式。
聚乙炔中的原子通過共價鍵結(jié)合，共價鍵是原子共享外層電子的強分子鍵。單鍵意味著兩個鍵合原子共享一個外層電子。雙鍵表示兩個共享電子。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中一個有趣的研究對象。
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性質(zhì)?！斑@是一個眾所周知的問題，你可以用經(jīng)典計算機解決。然而經(jīng)典計算機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)中進行的?！盨immons說[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。
該團隊如何在他們的量子設備上模擬聚乙炔？
Simmons解釋道：“我們正在做的是讓實際的處理器本身模擬碳-碳單鍵和碳-碳雙鍵。我們以亞納米級的精度設計，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。”
利用機器中的原子晶體管，研究人員模擬了聚乙炔中的共價鍵。
根據(jù)SSH理論，聚乙炔中有兩種不同的情況，稱為“拓撲狀態(tài)”——“拓撲”是因為它們的幾何形狀不同。
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，將兩端的兩個原子隔離開來。當電流通過分子鏈時，這兩種拓撲狀態(tài)表現(xiàn)出完全不同的行為。
在這項工作中，該團隊構(gòu)建了由十個量子點組成的鏈，并用它們來模擬所謂的SSH模型。
Simmons說：“在我們的整個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)中引起問題的東西，我們只有這兩種原子。在概念上很簡單，但顯然很難制造。這是一個很好的、干凈的、物理的、可擴展的系統(tǒng)。
她補充說：“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間才弄清楚讓磷原子進入硅基質(zhì)以使其受到保護的化學過程。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，研究團隊首先將襯底加熱到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：“我們沒有使用單個原子來模擬碳原子，而是使用了25個磷原子。”
該團隊發(fā)現(xiàn)他們能夠控制電子沿著鏈的流動。他們證明，對于由10個點組成的鏈，只需要6個電極就可以做到這一點。所以，電極比實際的點數(shù)量少很多。這對擴展非常有利。因為從根本上說，在量子計算機中，你希望與有源元件相比，門的數(shù)量更少，否則它擴展的效果會很差?！?/p>
Simmons認為，他們的設備不僅符合SSH理論，而且量子計算機很快將開始模擬甚至超出我們最佳理論的問題。“這為我們打開了一扇通向我們以前從未想象過的事物的大門?！?/p>
該設備與其他量子計算機有類似的缺點——特別是，龐大的制冷機帶來高成本和高能耗問題，需要接近絕對零度。
出于商業(yè)機密的考慮，Simmons對SQC在這次初步展示后正在進行的項目避而不談。但她確實表示:“我們希望盡可能將它應用于不同的領域，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/
