Des scientifiques conçoivent un processeur quantique pour émuler une petite molécule organique

Une équipe de physiciens en informatique quantique de l’UNSW Sydney a conçu un processeur quantique à l’échelle atomique pour simuler le comportement d’une petite molécule organique, résolvant un défi lancé il y a environ 60 ans par le physicien théoricien Richard Feynman.

Cette réalisation, qui a eu lieu deux ans avant la date prévue, représente une étape majeure dans la course à la construction du premier ordinateur quantique au monde et démontre la capacité de l’équipe à contrôler les états quantiques des électrons et des atomes dans le silicium à un niveau exquis jamais atteint auparavant.

Dans un article publié aujourd’hui dans la revue La natureles chercheurs ont décrit comment ils ont pu imiter la structure et les états énergétiques du composé organique polyacétylène, une chaîne répétitive d’atomes de carbone et d’hydrogène qui se distingue par l’alternance de liaisons simples et doubles de carbone.

La chercheuse principale et ancienne australienne de l’année, la professeure Scientia Michelle Simmons, a déclaré que l’équipe de Silicon Quantum Computing, l’une des start-up les plus excitantes de l’UNSW, a construit un circuit intégré quantique comprenant une chaîne de 10 points quantiques pour simuler l’emplacement précis des atomes. dans la chaîne polyacétylène.

« Si vous revenez aux années 1950, Richard Feynman a déclaré que vous ne pouvez pas comprendre le fonctionnement de la nature à moins de pouvoir construire de la matière à la même échelle de longueur », a déclaré le professeur Simmons.

« Et c’est donc ce que nous faisons, nous le construisons littéralement de bas en haut, où nous imitons la molécule de polyacétylène en mettant des atomes dans le silicium avec les distances exactes qui représentent les liaisons carbone-carbone simples et doubles. »

Réaction en chaîne

La recherche reposait sur la mesure du courant électrique à travers une réplique à 10 points quantiques délibérément conçue de la molécule de polyacétylène lorsque chaque nouvel électron passait de la sortie source de l’appareil au drain, l’autre extrémité du circuit.

Pour être doublement sûrs, ils ont simulé deux brins différents des chaînes polymères.

Dans le premier appareil, ils ont coupé un bout de chaîne pour laisser des doubles liaisons à la fin donnant 10 pics dans le courant. Dans le deuxième appareil, ils ont coupé un fragment différent de la chaîne pour laisser des liaisons simples à la fin, ne donnant lieu qu’à deux pics dans le courant. Le courant qui traverse chaque chaîne était donc radicalement différent en raison des différentes longueurs de liaison des atomes à l’extrémité de la chaîne.

Non seulement les mesures correspondaient aux prédictions théoriques, mais elles correspondaient parfaitement.

« Ce que cela montre, c’est que vous pouvez littéralement imiter ce qui se passe réellement dans la vraie molécule. Et c’est pourquoi c’est excitant parce que les signatures des deux chaînes sont très différentes », a déclaré le professeur Simmons.

« La plupart des autres architectures informatiques quantiques n’ont pas la capacité de concevoir des atomes avec une précision inférieure au nanomètre ou de permettre aux atomes de s’asseoir aussi près.

« Et cela signifie que nous pouvons maintenant commencer à comprendre des molécules de plus en plus compliquées en mettant les atomes en place comme s’ils imitaient le système physique réel. »

Debout au bord

Selon le professeur Simmons, ce n’est pas un hasard si une chaîne carbonée de 10 atomes a été choisie car elle se situe dans la limite de taille de ce qu’un ordinateur classique est capable de calculer, avec jusqu’à 1024 interactions distinctes d’électrons dans ce système. L’augmenter à une chaîne de 20 points verrait le nombre d’interactions possibles augmenter de façon exponentielle, ce qui rendrait difficile la résolution d’un ordinateur classique.

« Nous sommes proches de la limite de ce que les ordinateurs classiques peuvent faire, donc c’est comme si on plongeait dans l’inconnu », dit-elle.

« Et c’est ce qui est excitant, nous pouvons maintenant fabriquer des appareils plus gros qui vont au-delà de ce qu’un ordinateur classique peut modéliser. Ainsi, nous pouvons regarder des molécules qui n’ont pas été simulées auparavant. Nous allons pouvoir comprendre le monde d’une manière différente, en abordant des questions fondamentales que nous n’avons jamais été en mesure de résoudre auparavant. »

L’une des questions auxquelles le professeur Simmons a fait allusion concerne la compréhension et l’imitation de la photosynthèse – comment les plantes utilisent la lumière pour créer de l’énergie chimique pour la croissance. Ou comprendre comment optimiser la conception des catalyseurs utilisés pour les engrais, actuellement un processus à haute énergie et à coût élevé.

« Il y a donc d’énormes implications pour comprendre fondamentalement le fonctionnement de la nature », a-t-elle déclaré.

Les futurs ordinateurs quantiques

Beaucoup a été écrit sur les ordinateurs quantiques au cours des trois dernières décennies, la question à un milliard de dollars étant toujours « mais quand pouvons-nous en voir un? »

Le professeur Simmons dit que le développement des ordinateurs quantiques est sur une trajectoire comparable à l’évolution des ordinateurs classiques – d’un transistor en 1947 à un circuit intégré en 1958, puis de petites puces informatiques qui sont entrées dans des produits commerciaux comme des calculatrices environ cinq ans plus tard. .

« Et donc nous reproduisons maintenant cette feuille de route pour les ordinateurs quantiques », déclare le professeur Simmons.

« Nous avons commencé avec un transistor à un seul atome en 2012. Et ce dernier résultat, réalisé en 2021, est l’équivalent du circuit intégré quantique à l’échelle de l’atome, avec deux ans d’avance. Si nous le mappons sur l’évolution de l’informatique classique, nous ‘ Je prédis que nous devrions avoir une sorte de résultat commercial de notre technologie dans cinq ans. »

L’un des avantages de la recherche de l’équipe UNSW/SQC est que la technologie est évolutive car elle parvient à utiliser moins de composants dans le circuit pour contrôler les qubits, les bits de base de l’information quantique.

« Dans les systèmes quantiques, vous avez besoin de quelque chose qui crée les qubits, une sorte de structure dans l’appareil qui vous permet de former l’état quantique », explique le professeur Simmons.

« Dans notre système, les atomes eux-mêmes créent les qubits, nécessitant moins d’éléments dans les circuits. Nous n’avions besoin que de six portes métalliques pour contrôler les électrons dans notre système à 10 points. En d’autres termes, nous avons moins de portes qu’il n’y a de composants actifs de l’appareil. Alors que la plupart des architectures d’informatique quantique ont besoin de presque le double ou plus de systèmes de contrôle pour déplacer les électrons dans l’architecture qubit. »

Le fait d’avoir besoin de moins de composants étroitement assemblés minimise la quantité de toute interférence avec les états quantiques, permettant aux dispositifs d’être mis à l’échelle pour créer des systèmes quantiques plus complexes et plus puissants.

« Donc, cette très faible densité de portes physiques est également très excitante pour nous, car cela montre que nous avons ce joli système propre que nous pouvons manipuler, en gardant la cohérence sur de longues distances avec un minimum de surcharge dans les portes. C’est pourquoi il est précieux pour l’évolutivité l’informatique quantique. »

Pour l’avenir, le professeur Simmons et ses collègues exploreront des composés plus grands qui auraient pu être prédits théoriquement, mais qui n’ont jamais été simulés et entièrement compris auparavant, tels que les supraconducteurs à haute température.