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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  1. pyAdmstretr @ 2022-06-23 20:09:565263056

    一般字数越少、新闻越大。
    但是这一篇嘛……好像是个大新闻哦,对吧……

  2. 汤米大王 @ 2022-06-23 20:46:065263077

    这么小 那啥量子隧穿效应呢?

  3. 胡辣汤也是咖喱 @ 2022-06-23 21:24:275263092

    那位大佬解说下量子计算机到底什么个原理?……是不是有时候算得准,有时候算不准……

    majer:如果你相信量子力学的平行宇宙诠释,就能有一种比较直观地理解量子计算机的方式。计算机还是计算机(经典计算机和量子计算机在数学上没有本质区别,经典计算机本质上就做不到的事,量子计算机也不行),量子事件则可以存在于不同的平行宇宙。这样一台量子计算机就是可以和至多10^500个平行宇宙里的自己联机的计算机,相当于超多部计算机并行运算,效率就起飞了。实际上,David Deutsch,也就是最早证明存在量子图灵机的人,他就是这么理解量子计算机的。

  4. a @ 2022-06-23 22:26:595263143

    @胡辣汤也是咖喱: 每个量子比特能同时容纳0和1两种状态, 也就是N个量子比特就能同时容纳2^N个状态, 并且使用量子力学的规律可以做到让这些状态同时参与运算, 在运算中剪掉不符合要求的状态从而让留下来的状态是符合问题的状态.
    或者简单理解就是超大规模并发, 上限为2^N倍于普通单线程的计算. 实际因为量子态测量是概率性的, 读取结果(或者重复实验)需要花时间, 并不会达到上限.

  5. draak @ 2022-06-23 23:09:175263158

    所以这个量子计算机可以完成传统计算机的计算吗?

  6. 黑风鬼 @ 2022-06-24 01:02:195263274

    经典的量子计算不就是原来的原子计算机,只有开关也就是0和1两个状态,算力是2∧n,量子计算机是开关和并存3个状态,所以算力是3∧n吗?为啥大佬的理解看起来也不一样

  7. 16CM君 @ 2022-06-24 08:47:125263377

    有没有测试一下挖矿的算力如何?

  8. 星期二先生 @ 2022-06-24 10:07:365263468

    切,光子郎玩剩下的

  9. 青山精神病院王医生 @ 2022-06-24 12:15:015263620

    以后的IT从业者门槛会不会高

  10. 554 @ 2022-06-24 18:54:545263932

    我看不懂,但我大受震撼

  11. 喵喵喵 @ 2022-06-24 19:14:365263939

    啥时候可以模拟地球啊。。。。

  12. S081335 @ 2022-06-24 22:52:185264048

    量子计算机如果技术进步了,可以用同样的体积做出现有芯片的多倍性能吧?
    并且并行计算能同步做很多事,未来靠量子计算机与经典计算机结合,应该可以控制功耗散热和大小

  13. 不脂户 @ 2022-06-25 00:18:175264095

    推荐微软研究院的一个小讲座,Quantum Computing for Computer Scientists。物理上只用假设量子叠加(三层偏光镜比两层亮),剩下的都是(简单的)数学推导。

  14. syn123 @ 2022-06-30 00:23:285267841

    什么时候能实现通用计算了,世界就改变了