29 июня 2022

Создана первая в своем роде квантовая схема атомарного уровня

Ученые и инженеры из университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales, UNSW) и компании Silicon Quantum Computing (SQC) создали и продемонстрировали работу квантовой интегральной схемы, состоящей всего из нескольких атомов. Если быть более точными, то схема состоит из 10 углеродных квантовых точек, размещенных на поверхности кремниевого основания и снабженных шестью металлическими управляющими электродами, затворами, которые позволяют управлять потоком электронов, текущих через эту схему.

Используя контролируемый поток электронов можно управлять квантовым состоянием атомов углерода, а получившийся из этого всего квантовый процессор может моделировать структуру и свойства различным молекул, что может быть использовано при разработке новых видов материалов, включая и катализаторы.

Все это кажется достаточно простым, но ключом к работоспособности квантовой схемы является чрезвычайно точное взаимное расположение атомов углерода. Атомы углерода располагаются, подражая атомарному строению определенной молекулы, и если отклонения расположения не превышают долей нанометра, то какой квантовый процессор может моделировать структуру и энергетические состояния молекулы с высокой точностью, позволяя ученым тщательно изучить все это.

В данном случае атомы углерода были упорядочены в соответствии со структурой молекулы полиацетилена, органического соединения, состоящего из чередующихся углеродных цепочек и атомов водорода. При этом количество углеродных связей в молекуле также чередуется между единичными и двойными. После того, как ученые подали электрический ток на получившуюся схему и, меняя его параметры, проверили, соответствуют ли характеристики схемы подписи молекулы полиацетилена. И, конечно же, все это совпало с максимальной точностью.

После этого исследователи создали еще два различных варианта квантовых цепей различной конфигурации, моделирующих молекулы, которые еще не существуют в природе. Выполненные при их помощи измерения полностью соответствовали теоретическим прогнозам.

Отметим, что квантовая схема с десятью атомами теоретически является тем пределом, когда с ее моделированием еще могут справиться классические компьютеры, затратив на это достаточно много времени, энергии и других ресурсов. Поэтому ученые планируют в ближайшем времени создать подобные схемы, состоящие из двадцати и более атомов углерода, моделирование которых лежит далеко за возможностями классических компьютеров. Это, в свою очередь, позволит изучать молекулы высокой сложности, что может быть использовано в разработке новых материалов, фармацевтических препаратов, катализаторов и многого другого.