據(jù)外媒報(bào)道，當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月23日，澳大利亞硅量子計(jì)算公司SQC（Silicon Quantum Computing）宣布制造出世界上第一個(gè)原子級(jí)量子集成電路。據(jù)悉，這是一個(gè)包含經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片上所有基本組件的電路，但體量卻是在量子尺度上。

要知道，我們常見(jiàn)的量子計(jì)算芯片，無(wú)論是超導(dǎo)、離子阱，還是光子芯片，都是肉眼可見(jiàn)的。而該原子級(jí)量子集成電路，則需要通過(guò)掃描隧道顯微鏡等工具才能一探究竟。

▲集成量子電路（藝術(shù)圖）

除了體量上的突破，另外值得一提的是，這項(xiàng)成果還首次解決了著名理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在63年前提出的一個(gè)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)。

這一難題整整困擾了人們60多年，直到今天，由新南威爾士大學(xué)教授、SQC創(chuàng)始人米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)才證實(shí)了費(fèi)曼的猜想，即利用硅中的原子組成，構(gòu)建了世界上首個(gè)原子級(jí)量子集成電路。

▲在掃描隧道顯微鏡下的SQC原子級(jí)量子集成電路圖像

該報(bào)道指出，為了制造出原子級(jí)的量子集成電路，SQC需要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)原子級(jí)技術(shù)：

一是，制造出尺寸均勻的小原子點(diǎn)（即量子點(diǎn)），使其能級(jí)一致，電子可以輕易地穿過(guò)其中；

二是，不僅能單獨(dú)調(diào)整每個(gè)量子點(diǎn)的能級(jí)，也可以集體調(diào)整全部量子點(diǎn)的能級(jí)，以控制量子信息的傳輸；

三是，能夠在亞納米的精度上控制量子點(diǎn)之間的距離，使其距離足夠近，但又保持獨(dú)立性，以便電子在鏈上進(jìn)行量子相干傳輸。

目前，SQC團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用原子級(jí)量子集成電路精確地模擬了一個(gè)小型有機(jī)聚乙炔分子的量子態(tài)，從而證明了他們的量子系統(tǒng)建模技術(shù)的有效性。通過(guò)精確控制原子的量子態(tài)，新處理器可以模擬分子的結(jié)構(gòu)和特性，這將有助于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)和制造全新的材料，并在一定程度上推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。

▲在《自然》雜志發(fā)表論文的SQC團(tuán)隊(duì)

據(jù)了解，這項(xiàng)成果論文日前已發(fā)表在最新的《自然》雜志上。在論文中，研究人員描述了他們是如何模擬有機(jī)化合物聚乙炔的結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的：

聚乙炔是一種由碳和氫原子組成的重復(fù)鏈，其結(jié)構(gòu)包括單雙鍵交替的共軛結(jié)構(gòu)，目前可用于制備太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體材料和電活性聚合物等。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)由10個(gè)量子點(diǎn)鏈組成的量子集成電路，以模擬聚乙炔鏈中原子的精確位置，其中有6個(gè)金屬門(mén)控制電子在電路中的流動(dòng)。

▲聚乙炔結(jié)構(gòu)圖，顯示碳原子和氫原子之間的單鍵和雙鍵

Simmons教授表示，選擇一條由10個(gè)原子組成的碳鏈并非偶然，因?yàn)樗诮?jīng)典計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算的大小范圍之內(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，則可能的相互作用的數(shù)量會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這將使經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難求解。“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?！?/span>

“在20世紀(jì)50年代，費(fèi)曼提出，除非你能以相同的尺度構(gòu)建物質(zhì)，否則你無(wú)法理解大自然是如何運(yùn)作的?！盨immons說(shuō)，“這就是我們?cè)谧龅氖虑椋覀儗?shí)際上是在自下而上構(gòu)建它，通過(guò)將原子放入硅中來(lái)模擬聚乙炔分子，其精確的距離表示碳碳單鍵和碳碳雙鍵?！?/span>

▲SQC創(chuàng)始人米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）

Simmons認(rèn)為，這項(xiàng)成果是一個(gè)重大突破。由于原子之間可能存在大量的相互作用，今天的經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以模擬相對(duì)較小的分子。SQC原子級(jí)電路技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將使該公司及其客戶能夠?yàn)橐幌盗行虏牧蠘?gòu)建量子模型，無(wú)論這些新材料是藥品、電池材料，還是催化劑。

未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷突破，人們將解決更多專業(yè)的問(wèn)題，發(fā)展更高精尖端的技術(shù)。