科学家设计量子处理器来模拟小型有机分子

诸平

Lead researcher and former Australian of the Year, Scientia Professor Michelle Simmons. Credit: SQC

据澳大利亚新南威尔士大学（University of New South Wales简称UNSW）2022年6月23日提供的消息，科学家设计量子处理器来模拟小型有机分子（Scientists engineer quantum processor to emulate a small organic molecule）。

悉尼新南威尔士大学的一个量子计算机物理学家团队，设计了一个原子级的量子处理器来模拟小有机分子的行为，解决了理论物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在60年前提出的一个挑战。

这项比计划提前两年取得的成就，代表着建造世界上第一台量子计算机竞赛中的一个重要里程碑，并证明了该团队能够将硅中电子和原子的量子态控制在前所未有的精细水平上。相关研究结果于2022年6月22日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——M. Kiczynski, S. K. Gorman, H. Geng, M. B. Donnelly, Y. Chung, Y. He, J. G. Keizer, M. Y. Simmons. Engineering topological states in atom-based semiconductor quantum dots. Nature, 2022, 606: 694–699. DOI: 10.1038/s41586-022-04706-0. Published: 22 June 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

在这篇论文中，研究人员描述了他们是如何模拟有机化合物聚乙炔（polyacetylene）的结构和能量状态的。聚乙炔是一种由碳原子和氢原子组成的重复链，通过交替的碳单键和双键来区分。

首席研究员、前澳大利亚年度最佳科学家米歇尔·西蒙斯（Michelle Simmons）教授表示，新南威尔士大学最激动人心的初创公司（UNSW's most exciting start-ups）之一，硅量子计算公司（Silicon Quantum Computing）的团队构建了一个由10个量子点（quantum dots ）组成的量子集成电路，以模拟聚乙炔链中原子的精确位置。

米歇尔·西蒙斯教授说：“如果追溯到20世纪50年代，理查德·费曼（Richard Feynman）说过，除非你能以相同的长度尺度构建物质，否则你无法理解大自然是如何运作的。这就是我们正在做的，我们实际上是从下到上构建它，在那里我们通过将原子放置在硅中来模拟聚乙炔分子，精确的距离代表碳碳单键和碳碳双键。”

链式反应（Chain reaction）

这项研究依赖于测量通过精心设计的聚乙炔分子10量子点复制品（10-quantum dot replica）的电流（electric current），因为每个新电子都从器件的源出口传递到电路另一端的漏极。

为了更加确定，他们模拟了两种不同的聚合物链。

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。

米歇尔·西蒙斯教授说：“这表明，你可以从字面上模拟真实分子中实际发生的情况。这就是为什么它令人兴奋，因为这两条链的特征非常不同。其他大多数量子计算架构都没有能力以亚纳米级的精度设计原子，也没有能力让原子靠得那么近。这意味着现在我们可以开始理解越来越复杂的分子，把原子放在合适的位置，就像它们在模仿真实的物理系统一样。”

站在边缘（Standing at the edge）

根据米歇尔·西蒙斯教授的说法，选择一条由10个原子组成的碳链并不是偶然的，因为它位于经典计算机（classical computer ）能够计算的大小范围内，该系统中有多达1024个独立的电子相互作用。将其增加到20个点的链会看到可能的相互作用的数量呈指数增长，这使得经典计算机很难解决。

她说：“我们已经接近了经典计算机能够计算的极限，所以这就像是从边缘走向未知。这是一件令人兴奋的事情，我们现在可以制造出比经典计算机更大的设备。所以我们可以看看以前没有被模拟过的分子。我们将能够以不同的方式理解世界，解决我们以前从未解决过的根本问题。”

米歇尔·西蒙斯教授提到的一个问题是关于理解和模拟光合作用即植物如何利用光来创造化学能以促进生长。或者理解如何优化肥料催化剂的设计，因为目前的化肥生产是一个高能、高成本的过程。

“因此，从根本上理解自然界是如何工作的，这有着巨大的意义，”她说。

未来的量子计算机（Future quantum computers）

在过去的30年里，关于量子计算机的文章已经很多了，但是，数十亿美元的花费而面临的问题总是“但我们什么时候能看到一台呢？”

米歇尔·西蒙斯教授说，量子计算机的发展轨迹堪比经典计算机，从1947年的晶体管发展到1958年的集成电路，再到大约五年后的小型计算芯片进入计算器等商业产品。

“因此，我们现在正在复制量子计算机的路线图，”米歇尔·西蒙斯教授说。

“我们从2012年开始研制单原子晶体管。2021实现的这一最新结果相当于原子级量子集成电路（atom-scale quantum integrated circuit），比预期时间提前了两年。如果我们将其与经典计算的演变联系起来，我们预计五年后我们的技术将取得某种商业成果。”

UNSW/SQC团队的研究带来的一个优势是，这项技术具有可扩展性，因为它能够在电路中使用较少的组件来控制量子比特——量子信息的基本比特。

米歇尔·西蒙斯教授说：“在量子系统中，你需要一些能产生量子比特的东西，这种装置中的某种结构允许你形成量子态。在我们的系统中，原子本身产生量子位，在电路中需要的元素更少。我们只需要六个金属门来控制我们10点系统中的电子。换句话说，我们的门比有源器件组件少。而大多数量子计算架构需要两倍或更多的控制系统来移动量子位架构中的电子。”

只需较少的组件紧密地封装在一起，就可以最大限度地减少对量子态的任何干扰，从而使器件能够按比例放大，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是非常令人兴奋的，因为它表明我们有一个很好的干净系统，我们可以操纵它，以最小的门开销保持远距离的一致性。这就是为什么它对可伸缩的量子计算很有价值。”

展望未来，米歇尔·西蒙斯教授和她的同事们将探索更大的化合物，这些化合物可能已经在理论上得到预测，但之前从未被模拟和完全理解过，例如高温超导体。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

零错误量子计算成为现实（Error-free quantum computing gets real）

Abstract

The realization of controllable fermionic quantum systems via quantum simulation is instrumental for exploring many of the most intriguing effects in condensed-matter physics^1,2,3. Semiconductor quantum dots are particularly promising for quantum simulation as they can be engineered to achieve strong quantum correlations. However, although simulation of the Fermi–Hubbard model⁴ and Nagaoka ferromagnetism⁵ have been reported before, the simplest one-dimensional model of strongly correlated topological matter, the many-body Su–Schrieffer–Heeger (SSH) model^{6,7,8,9,10,11}, has so far remained elusive—mostly owing to the challenge of precisely engineering long-range interactions between electrons to reproduce the chosen Hamiltonian. Here we show that for precision-placed atoms in silicon with strong Coulomb confinement, we can engineer a minimum of six all-epitaxial in-plane gates to tune the energy levels across a linear array of ten quantum dots to realize both the trivial and the topological phases of the many-body SSH model. The strong on-site energies (about 25 millielectronvolts) and the ability to engineer gates with subnanometre precision in a unique staggered design allow us to tune the ratio between intercell and intracell electron transport to observe clear signatures of a topological phase with two conductance peaks at quarter-filling, compared with the ten conductance peaks of the trivial phase. The demonstration of the SSH model in a fermionic system isomorphic to qubits showcases our highly controllable quantum system and its usefulness for future simulations of strongly interacting electrons.