澳大利亚科学家创造了世界上第一个量子计算机电路——包含经典计算机芯片上所有基本元件，但都为量子规格。

今天发表在《自然》上的这一具有里程碑意义的成就，用去了九年时光方才修成正果。

“这是我职业生涯中最激动人心的发现。”资深作者、量子物理学家、硅量子计算创始人、新南威尔士大学量子计算和通信技术卓越中心主任 Michelle Simmons告诉 ScienceAlert。

Simmons 和她的团队不仅创造了本质上的功能性量子处理器，他们还通过对每个原子具有多个量子态的小分子进行建模，成功地对量子处理器进行了测试——传统计算机难以实现这种建模。

这表明我们现在离最终应用量子处理能力更深入地了解我们的世界更近了一步，哪怕是在最小的规模上也是如此。

“在 1950 年代，理查德·费曼 (Richard Feynman) 说，我们永远无法理解世界是如何运作的，除非我们能够真正以同样的规模制造它。”西蒙斯告诉 ScienceAlert。

“如果我们能够在那个层面开始理解材料，我们就可以设计出以前从未制造过的东西。

“问题是：你如何在那个层面上真正控制自然？”

转折点是在该团队于 2012 年创造出的第一支量子晶体管。

(晶体管是一种控制电子信号的小型设备，仅构成计算机电路的一部分。集成电路更复杂，因为它将许多晶体管组合在一起。)

为了实现量子计算的飞跃，研究人员在超高真空中使用扫描隧道显微镜来放置具有亚纳米精度的量子点。

每个量子点的位置必须恰到好处，这样电路才能模拟电子如何沿着聚乙炔分子中的一串单键和双键碳跳跃。

最棘手的部分是弄清楚：每个量子点中应该有多少磷原子；每个点应该相距多远；然后设计一台机器，可以将微小的点以完全正确的排列方式放置在硅芯片内。

研究人员说，如果量子点太大，两个点之间的相互作用就会“太大而无法独立控制”。

如果点太小，则会引入随机性，因为每个额外的磷原子都可以显著改变将另一个电子添加到位所需的能量。

最终的量子芯片包含 10 个量子点，每个量子点由少量磷原子组成。

通过在量子点之间放置比单碳键更小的距离来模拟双碳键。

选择聚乙炔是因为它是一种众所周知的模型，因此可以用来证明计算机正确地模拟了电子通过分子的运动。

需要量子计算机，因为经典计算机无法模拟大分子；它们太复杂了。

例如，要创建一个具有 41 个原子的青霉素分子，一台经典计算机将需要 10^86 个晶体管，“比可观察宇宙中的原子还多”。

对于量子计算机，它只需要一个具有 286 个量子比特的处理器。

由于科学家目前对分子如何在原子尺度上发挥作用了解有限，因此在创造新材料方面有很多猜测。

“其中圣杯一直是制造高温超导体。人们不知道它是如何工作的。”

量子计算的另一个潜在应用是研究人工光合作用，以及光如何通过有机反应链转化为化学能。

量子计算机可以帮助解决的另一个大问题是肥料生产。目前，经铁催化，三重氮键在高温和高压条件下断裂，以产生用于肥料的固定氮。

寻找可以更有效地制造肥料的不同催化剂可以节省大量金钱和能源。

Simmons 表示，在短短 9 年内从量子晶体管转变为电路的成就正在模仿经典计算机的发明者设定的路线图。

第一个经典的计算机晶体管是在 1947 年创建的。第一个集成电路是在 1958 年制造的。这两个发明相隔 11 年；西蒙斯的团队提前两年实现了这一飞跃。

这篇文章发表在《自然》上。

https://www.sciencealert.com/a-huge-step-forward-in-quantum-computing-was-just-announced-the-first-ever-quantum-circuit

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