Инженеры из Сиднея продемонстрировали квантовую интегральную схему, состоящую всего из нескольких атомов. Точно управляя квантовыми состояниями системы, новый процессор может моделировать структуры и свойства молекул, таким образом, способствуя открытию новых материалов и катализаторов.

Художественная иллюстрация новой квантовой схемы. Атомы углерода изображены красным цветом, а синие световые петли указывают на пролетающие между ними электроны. Silicon Quantum Computing

Новая квантовая схема разработана исследователями из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) и стартапом Silicon Quantum Computing (SQC). По сути, она состоит из 10 углеродных квантовых точек, встроенных в кремний, с шестью металлическими затворами, которые регулируют поток электронов внутри контура.

На первый взгляд все выглядит элементарно,  но суть заключается в расположении атомов углерода на субнанометровом уровне. Они расположены друг относительно друга таким образом, что имитируют атомное строение конкретной молекулы, позволяя ученым "моделировать и изучать структуру и энергетические состояния этой молекулы с большей точностью, чем когда-либо прежде".

В данном случае учёные расположили атомы углерода в структуре макромолекуле полиацетилена - органического соединения, состоящего из повторяющейся цепочки атомов углерода и водорода с чередующимися одинарными и двойными углеродными связями между ними. Чтобы смоделировать эти связи, команда расположила атомы углерода на разном расстоянии друг от друга.

Пропуская через цепь электрический ток, исследователи убедились, что она соответствует характеристикам природной молекулы полиацетилена. В ходе других испытаний разорвав связи в разных местах, команда испытала две различные версии схемы. В результате полученные токи также полностью совпали с теоретическими предсказаниями.

По словам команды, значение новой квантовой цепи, заключается в том, что ее можно использовать для изучения более сложных молекул, что в конечном итоге позволит разработать новые материалы, фармацевтические препараты или катализаторы. В настоящий момент 10-атомная версия "работает на пределе своих возможностей", и потому учёные планируют построить 20-атомный вариант, который "позволит моделировать более сложные молекулы".

"Большинство других архитектур квантовых вычислений не имеют возможности конструировать атомарные модели с субнанометровой точностью и не допускают такого близкого расположения атомов", - рассказывает проф. Мишель Симмонс, главный автор исследования. " И это означает, что теперь основываясь на расположении таких атомов, мы сможем изучать более сложные молекулы, словно имитируя реальную физическую систему".

Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Источники: UNSW, SQC, журнал Nature.
(https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0)
(https://sqc.com.au/2022/06/23/silicon-quantum-computing-announces-worlds-first-quantum-integrated-circuit/)
(https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/scientists-emulate-nature-quantum-leap-towards-computers-future)