文|洞察新科技

20世纪50年代,著名物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)说,“除非你能以相同的尺度构建物质,否则无法理解大自然是如何运作的。”这句话简单理解就是从零开始造出一辆汽车,否则没法彻底了解汽车的每一个结构。

近日,澳大利亚新南威尔士大学的科学家们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。该团队曾在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。

研究人员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,证明了他们的量子系统建模技术的有效性。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。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。

研究团队还构建了一个由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。在第一个装置中,他们切下一段链,在末端留下双键,电流达到10个峰值。

在第二个装置中,他们切割了一段不同的链,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,通过每条链的电流有很大的不同。测量结果不仅与理论预测相符,而且完全吻合。

此外,更少的组件紧密地封装在一起,能够最大限度地减少对量子态的干扰,使设备能够按比例放大,以制造更复杂和更强大的量子系统。因此,非常低的物理门密度十分重要,它表明有一个高效的系统可以操纵,以最小的门开销保持远距离的一致性。

值得一提的是,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,则可能相互作用的数量呈指数级增加,接近了经典计算机的极限。

未来,该研究或在构建一系列新材料量子模型,无论是药物、电池材料还是催化剂方面,或都能发挥重要的作用。