新南威尔士大学悉尼分校的一个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来模拟一个小有机分子的行为，解决了大约 60 年前理论物理学家理查德费曼提出的挑战。

这一成果比原计划提前两年完成，代表了世界上第一台量子计算机建设竞赛中的一个重要里程碑，并展示了该团队将硅中电子和原子的量子态控制在前所未有的精细水平的能力。

发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了他们如何能够模拟有机化合物聚乙炔的结构和能量状态——一种碳和氢原子的重复链，以碳的单键和双键交替而著称。

首席研究员和前年度澳大利亚人，科学教授米歇尔西蒙斯。图片来源：SQC

首席研究员和前澳大利亚年度人物、科学教授 Michelle Simmons 表示，新南威尔士大学最令人兴奋的初创企业之一 Silicon Quantum Computing 的团队构建了一个由 10 个量子点链组成的量子集成电路，以模拟原子的精确位置在聚乙炔链中。

“如果你回到 1950 年代，你无法理解自然是如何运作的，除非你能以相同的长度尺度建造物质，”西蒙斯教授说。

“所以这就是我们正在做的事情，我们实际上是从下到上构建它，我们通过将原子放入硅中以代表单碳和双碳 - 碳键的精确距离来模仿聚乙炔分子。”

连锁反应

该研究依赖于通过精心设计的聚乙炔分子的 10 量子点复制品测量电流，因为每个新电子从设备的源出口到漏极 - 电路的另一端。

可以肯定的是，他们模拟了两条不同的聚合物链。

在第一个设备中，他们切断了链的一个片段，在末端留下双键，从而在电流中产生 10 个峰值。在第二个设备中，他们切断了链的不同片段，在末端留下单键，只会在电流中产生两个峰值。因此，由于链末端原子的键长不同，通过每条链的电流显着不同。

测量结果不仅与理论预测相符，而且完美匹配。

它显示的是，你可以从字面上模仿真实分子中实际发生的事情。这就是为什么它令人兴奋，因为两条链的特征非常不同。

那里的大多数其他量子计算架构都没有能力以亚纳米精度设计原子或让原子坐得那么近。

这意味着现在我们可以开始了解越来越多的复杂分子，这些分子基于将原子放置在适当的位置，就好像它们在模仿真实的物理系统一样。

未来的量子计算机

在过去的 30 年中，关于量子计算机的文章很多，价值数十亿美元的问题始终是“但我们什么时候才能看到一台？”

西蒙斯教授说：量子计算机的发展轨迹与经典计算机的发展轨迹相当——从 1947 年的晶体管到 1958 年的集成电路，然后大约五年后进入商业产品（如计算器）的小型计算芯片。

所以我们现在正在复制量子计算机的路线图。

在我们的系统中，原子本身创造了量子比特，电路中需要更少的元素。我们只需要六个金属门来控制我们的 10 点系统中的电子——换句话说，我们的门少于有源器件组件. 而大多数量子计算架构需要几乎两倍或更多的控制系统来移动量子比特架构中的电子。

需要更少的组件紧密地包装在一起，从而最大限度地减少对量子态的任何干扰，从而使设备能够按比例放大以制造更复杂、更强大的量子系统。

因此，非常低的物理门密度对我们来说也非常令人兴奋，因为它表明我们拥有一个可以操作的漂亮干净的系统，以最小的门开销保持长距离的一致性。这就是为什么它对于可扩展性很有价值量子计算。

展望未来，西蒙斯教授和她的同事将探索更大的化合物，这些化合物可能在理论上已经预测，但以前从未被模拟和完全理解，例如高温超导体。