Wissenschaftler konstruieren einen Quantenprozessor, um ein kleines organisches Molekül zu emulieren

Ein Team von Quantencomputerphysikern an der UNSW Sydney hat einen Quantenprozessor auf atomarer Ebene entwickelt, um das Verhalten eines kleinen organischen Moleküls zu simulieren und damit eine Herausforderung zu lösen, die vor etwa 60 Jahren vom theoretischen Physiker Richard Feynman gestellt wurde.

Die Leistung, die zwei Jahre früher als geplant stattfand, stellt einen wichtigen Meilenstein im Rennen um den Bau des weltweit ersten Quantencomputers dar und demonstriert die Fähigkeit des Teams, die Quantenzustände von Elektronen und Atomen in Silizium auf einem bisher unerreichten Niveau zu kontrollieren.

In einem heute in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturbeschrieben die Forscher, wie sie die Struktur und Energiezustände der organischen Verbindung Polyacetylen nachahmen konnten – eine sich wiederholende Kette aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, die sich durch abwechselnde Einfach- und Doppelbindungen von Kohlenstoff auszeichnet.

Die leitende Forscherin und ehemalige Australierin des Jahres, Scientia-Professorin Michelle Simmons, sagte, das Team von Silicon Quantum Computing, einem der aufregendsten Start-ups der UNSW, habe einen integrierten Quantenschaltkreis gebaut, der aus einer Kette von 10 Quantenpunkten besteht, um die genaue Position von Atomen zu simulieren in der Polyacetylenkette.

„Wenn Sie in die 1950er Jahre zurückgehen, sagte Richard Feynman, Sie können nicht verstehen, wie die Natur funktioniert, wenn Sie Materie nicht auf der gleichen Längenskala bauen können“, sagte Prof. Simmons.

„Und das ist es, was wir tun, wir bauen es buchstäblich von unten nach oben auf, wo wir das Polyacetylenmolekül nachahmen, indem wir Atome in Silizium mit den genauen Abständen platzieren, die die einfachen und doppelten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen darstellen.“

Kettenreaktion

Die Forschung stützte sich auf die Messung des elektrischen Stroms durch eine bewusst konstruierte 10-Quantenpunkt-Nachbildung des Polyacetylenmoleküls, wenn jedes neue Elektron vom Source-Ausgang des Geräts zum Drain – dem anderen Ende des Stromkreises – gelangte.

Um ganz sicher zu gehen, simulierten sie zwei unterschiedliche Stränge der Polymerketten.

Beim ersten Gerät schnitten sie ein Stück der Kette ab, um am Ende Doppelbindungen zu hinterlassen, die 10 Spitzen im Strom ergeben. Beim zweiten Gerät schneiden sie ein anderes Stück der Kette ab, um am Ende einfache Bindungen zu hinterlassen, die nur zu zwei Stromspitzen führen. Der Strom, der durch jede Kette fließt, war daher aufgrund der unterschiedlichen Bindungslängen der Atome am Ende der Kette dramatisch unterschiedlich.

Die Messungen stimmten nicht nur mit den theoretischen Vorhersagen überein, sie stimmten perfekt überein.

„Was es zeigt, ist, dass man buchstäblich nachahmen kann, was tatsächlich im echten Molekül passiert. Und deshalb ist es aufregend, weil die Signaturen der beiden Ketten sehr unterschiedlich sind“, sagte Prof. Simmons.

„Die meisten anderen Quantencomputing-Architekturen da draußen sind nicht in der Lage, Atome mit Sub-Nanometer-Präzision zu konstruieren oder den Atomen zu erlauben, so nahe beieinander zu sitzen.

„Das bedeutet, dass wir jetzt beginnen können, immer kompliziertere Moleküle zu verstehen, indem wir die Atome so anordnen, als würden sie das reale physikalische System nachahmen.“

Am Rand stehen

Laut Prof. Simmons war es kein Zufall, dass eine Kohlenstoffkette aus 10 Atomen gewählt wurde, da diese mit bis zu 1024 separaten Wechselwirkungen von Elektronen in diesem System innerhalb der Größengrenze dessen liegt, was ein klassischer Computer berechnen kann. Eine Erhöhung auf eine 20-Punkte-Kette würde dazu führen, dass die Anzahl der möglichen Wechselwirkungen exponentiell ansteigt, was es für einen klassischen Computer schwierig macht, sie zu lösen.

„Wir sind nahe an der Grenze dessen, was klassische Computer leisten können, also ist es, als würde man den Rand ins Unbekannte wagen“, sagt sie.

„Und das ist das Spannende, wir können jetzt größere Geräte herstellen, die über das hinausgehen, was ein klassischer Computer modellieren kann. So können wir Moleküle betrachten, die noch nie zuvor simuliert wurden. Wir werden in der Lage sein, die Welt zu verstehen auf eine andere Art und Weise grundlegende Fragen ansprechen, die wir noch nie zuvor lösen konnten.“

Eine der Fragen, auf die Prof. Simmons anspielte, betrifft das Verständnis und die Nachahmung der Photosynthese – wie Pflanzen Licht nutzen, um chemische Energie für das Wachstum zu erzeugen. Oder zu verstehen, wie das Design von Katalysatoren für Düngemittel optimiert werden kann, was derzeit ein energieintensiver und kostenintensiver Prozess ist.

„Es gibt also enorme Auswirkungen auf das grundlegende Verständnis der Funktionsweise der Natur“, sagte sie.

Zukünftige Quantencomputer

In den letzten drei Jahrzehnten wurde viel über Quantencomputer geschrieben, wobei die Milliarden-Dollar-Frage immer lautete: „Aber wann können wir einen sehen?“

Prof. Simmons sagt, dass die Entwicklung von Quantencomputern auf einem vergleichbaren Weg ist wie klassische Computer – von einem Transistor im Jahr 1947 zu einem integrierten Schaltkreis im Jahr 1958 und dann zu kleinen Computerchips, die etwa fünf Jahre später in kommerzielle Produkte wie Taschenrechner übergingen .

„Und so replizieren wir jetzt diese Roadmap für Quantencomputer“, sagt Prof. Simmons.

„Wir haben 2012 mit einem Einzelatom-Transistor begonnen. Und dieses neueste Ergebnis, das 2021 realisiert wurde, ist das Äquivalent der integrierten Quantenschaltung im Atommaßstab, zwei Jahre früher. Wir sagen voraus, dass wir in fünf Jahren irgendein kommerzielles Ergebnis mit unserer Technologie erzielen sollten.“

Einer der Vorteile, die die Forschung des UNSW/SQC-Teams mit sich bringt, ist, dass die Technologie skalierbar ist, weil sie es schafft, weniger Komponenten in der Schaltung zu verwenden, um die Qubits – die grundlegenden Bits der Quanteninformationen – zu steuern.

„In Quantensystemen brauchen Sie etwas, das die Qubits erzeugt, eine Art Struktur im Gerät, die es Ihnen ermöglicht, den Quantenzustand zu bilden“, sagt Prof. Simmons.

„In unserem System erzeugen die Atome selbst die Qubits, wodurch weniger Elemente in den Schaltkreisen benötigt werden. Wir brauchten nur sechs metallische Gates, um die Elektronen in unserem 10-Punkte-System zu steuern – mit anderen Worten, wir haben weniger Gates als aktive Gerätekomponenten . Während die meisten Quantencomputer-Architekturen fast die doppelte Anzahl oder mehr Steuersysteme benötigen, um die Elektronen in der Qubit-Architektur zu bewegen.“

Da weniger eng aneinander gepackte Komponenten benötigt werden, wird die Menge an Interferenzen mit den Quantenzuständen minimiert, wodurch Geräte skaliert werden können, um komplexere und leistungsfähigere Quantensysteme herzustellen.

„Diese sehr geringe physische Gate-Dichte ist also auch sehr aufregend für uns, weil sie zeigt, dass wir dieses schöne, saubere System haben, das wir manipulieren können, wobei die Kohärenz über große Entfernungen mit minimalem Overhead in den Gates aufrechterhalten wird. Deshalb ist es für die Skalierbarkeit wertvoll Quanten-Computing.“

Mit Blick auf die Zukunft werden Prof. Simmons und ihre Kollegen größere Verbindungen erforschen, die möglicherweise theoretisch vorhergesagt, aber noch nie zuvor simuliert und vollständig verstanden wurden, wie z. B. Hochtemperatur-Supraleiter.