重大突破！世界首个原子级量子集成电路诞生

据外媒报道，当地时间6月23日，澳大利亚硅量子计算公司SQC（Silicon Quantum Computing）宣布制造出世界上第一个原子级量子集成电路。据悉，这是一个包含经典计算机芯片上所有基本组件的电路，但体量却是在量子尺度上。

要知道，我们常见的量子计算芯片，无论是超导、离子阱，还是光子芯片，都是肉眼可见的。而该原子级量子集成电路，则需要通过扫描隧道显微镜等工具才能一探究竟。

▲集成量子电路（艺术图）

除了体量上的突破，另外值得一提的是，这项成果还首次解决了著名理论物理学家理查德·费曼在63年前提出的一个难题：

1959年，费曼在演讲《Plenty of Room at the Bottom》中断言，如果你想了解大自然是如何运作的，那么你必须能够在构成物质的相同长度尺度上控制物质。也就是说，你必须能够在原子的长度尺度上控制物质。

这一难题整整困扰了人们60多年，直到今天，由新南威尔士大学教授、SQC创始人米歇尔·西蒙斯（Michelle Simmons）带领的团队才证实了费曼的猜想，即利用硅中的原子组成，构建了世界上首个原子级量子集成电路。

▲在扫描隧道显微镜下的SQC原子级量子集成电路图像

该报道指出，为了制造出原子级的量子集成电路，SQC需要实现三项原子级技术：

一是，制造出尺寸均匀的小原子点（即量子点），使其能级一致，电子可以轻易地穿过其中；

二是，不仅能单独调整每个量子点的能级，也可以集体调整全部量子点的能级，以控制量子信息的传输；

三是，能够在亚纳米的精度上控制量子点之间的距离，使其距离足够近，但又保持独立性，以便电子在链上进行量子相干传输。

目前，SQC团队已经使用原子级量子集成电路精确地模拟了一个小型有机聚乙炔分子的量子态，从而证明了他们的量子系统建模技术的有效性。通过精确控制原子的量子态，新处理器可以模拟分子的结构和特性，这将有助于科学家发现和制造全新的材料，并在一定程度上推动社会的发展。

▲在《自然》杂志发表论文的SQC团队

据了解，这项成果论文日前已发表在最新的《自然》杂志上。在论文中，研究人员描述了他们是如何模拟有机化合物聚乙炔的结构和能量状态的：

聚乙炔是一种由碳和氢原子组成的重复链，其结构包括单双键交替的共轭结构，目前可用于制备太阳能电池、半导体材料和电活性聚合物等。研究团队构建了一个由10个量子点链组成的量子集成电路，以模拟聚乙炔链中原子的精确位置，其中有6个金属门控制电子在电路中的流动。

▲聚乙炔结构图，显示碳原子和氢原子之间的单键和双键

Simmons教授表示，选择一条由10个原子组成的碳链并非偶然，因为它在经典计算机能够计算的大小范围之内，在该系统中有多达1024个独立的电子相互作用。如果将其增加到20个点的链，则可能的相互作用的数量会呈指数级增长，这将使经典计算机很难求解。“我们已经接近了经典计算机的极限，所以这就像是从边缘走向未知。”

“在20世纪50年代，费曼提出，除非你能以相同的尺度构建物质，否则你无法理解大自然是如何运作的。”Simmons说，“这就是我们在做的事情，我们实际上是在自下而上构建它，通过将原子放入硅中来模拟聚乙炔分子，其精确的距离表示碳碳单键和碳碳双键。”

▲SQC创始人米歇尔·西蒙斯（Michelle Simmons）

Simmons认为，这项成果是一个重大突破。由于原子之间可能存在大量的相互作用，今天的经典计算机难以模拟相对较小的分子。SQC原子级电路技术的开发，将使该公司及其客户能够为一系列新材料构建量子模型，无论这些新材料是药品、电池材料，还是催化剂。

未来，随着技术的不断突破，人们将解决更多专业的问题，发展更高精尖端的技术。