Ricercatrice capo ed ex australiana dell'anno, la professoressa di Scientia Michelle Simmons. Credito:SQC
Un team di fisici informatici quantistici dell'UNSW Sydney ha progettato un processore quantistico su scala atomica per simulare il comportamento di una piccola molecola organica, risolvendo una sfida lanciata circa 60 anni fa dal fisico teorico Richard Feynman.
Il risultato, avvenuto due anni prima del previsto, rappresenta una pietra miliare nella corsa alla costruzione del primo computer quantistico al mondo e dimostra la capacità del team di controllare gli stati quantistici degli elettroni e degli atomi nel silicio a un livello squisito mai raggiunto prima.
In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature , i ricercatori hanno descritto come sono stati in grado di imitare la struttura e gli stati energetici del composto organico poliacetilene, una catena ripetitiva di atomi di carbonio e idrogeno caratterizzata dall'alternanza di legami singoli e doppi di carbonio.
La ricercatrice capo ed ex australiana dell'anno, la professoressa di Scientia Michelle Simmons, ha affermato che il team di Silicon Quantum Computing, una delle start-up più interessanti dell'UNSW, ha costruito un circuito integrato quantistico comprendente una catena di 10 punti quantici per simulare la posizione precisa degli atomi nella catena del poliacetilene.
"Se torni agli anni '50, Richard Feynman ha detto che non puoi capire come funziona la natura se non puoi costruire la materia alla stessa scala di lunghezza", ha detto il prof. Simmons.
"E quindi è quello che stiamo facendo, lo stiamo letteralmente costruendo dal basso verso l'alto, dove stiamo imitando la molecola di poliacetilene inserendo atomi nel silicio con le distanze esatte che rappresentano i legami carbonio-carbonio singoli e doppi."
Reazione a catena
La ricerca si basava sulla misurazione della corrente elettrica attraverso una replica a 10 punti quantici deliberatamente ingegnerizzata della molecola di poliacetilene mentre ogni nuovo elettrone passava dall'uscita sorgente del dispositivo allo scarico, l'altra estremità del circuito.
Per essere doppiamente sicuri, hanno simulato due diversi filamenti delle catene polimeriche.
Nel primo dispositivo hanno tagliato un frammento della catena per lasciare doppi legami all'estremità dando 10 picchi di corrente. Nel secondo dispositivo tagliano un diverso snippet della catena per lasciare i singoli legami all'estremità dando solo origine a due picchi di corrente. La corrente che passa attraverso ciascuna catena era quindi notevolmente diversa a causa delle diverse lunghezze di legame degli atomi all'estremità della catena.
Non solo le misurazioni corrispondevano alle previsioni teoriche, ma corrispondevano perfettamente.
"Quello che sta dimostrando è che puoi letteralmente imitare ciò che accade effettivamente nella molecola reale. Ed è per questo che è eccitante perché le firme delle due catene sono molto diverse", ha detto il prof. Simmons.
"La maggior parte delle altre architetture di calcolo quantistico là fuori non ha la capacità di progettare atomi con una precisione sub-nanometrica o consentire agli atomi di stare così vicini.
"E quindi questo significa che ora possiamo iniziare a capire molecole sempre più complicate basate sul posizionare gli atomi come se stessero imitando il sistema fisico reale."
In piedi al limite
Secondo il Prof. Simmons, non è stato un caso che sia stata scelta una catena di carbonio di 10 atomi perché rientra nel limite di dimensione di ciò che un computer classico è in grado di calcolare, con un massimo di 1024 interazioni separate di elettroni in quel sistema. Aumentandolo a una catena di 20 punti, il numero di possibili interazioni aumenterebbe in modo esponenziale, rendendo difficile la risoluzione per un computer classico.
"Siamo vicini al limite di ciò che possono fare i computer classici, quindi è come uscire dall'orlo dell'ignoto", afferma.
"E questa è la cosa eccitante, ora possiamo realizzare dispositivi più grandi che vanno oltre ciò che un computer classico può modellare. Quindi possiamo guardare molecole che non sono state simulate prima. Saremo in grado di capire il mondo in modo diverso, affrontando questioni fondamentali che non siamo mai stati in grado di risolvere prima."
Una delle domande a cui ha accennato il prof. Simmons riguarda la comprensione e l'imitazione della fotosintesi, ovvero come le piante usano la luce per creare energia chimica per la crescita. O capire come ottimizzare la progettazione dei catalizzatori utilizzati per i fertilizzanti, attualmente un processo ad alta energia e ad alto costo.
"Quindi ci sono enormi implicazioni per capire fondamentalmente come funziona la natura", ha detto.
Futuri computer quantistici
Molto è stato scritto sui computer quantistici negli ultimi tre decenni con la domanda da un miliardo di dollari sempre "ma quando possiamo vederne uno?"
Il Prof. Simmons afferma che lo sviluppo dei computer quantistici segue una traiettoria paragonabile all'evoluzione dei computer classici:da un transistor nel 1947 a un circuito integrato nel 1958, e poi piccoli chip informatici che sono diventati prodotti commerciali come calcolatrici circa cinque anni dopo. .
"E quindi ora stiamo replicando quella tabella di marcia per i computer quantistici", afferma il prof. Simmons.
"Abbiamo iniziato con un transistor a singolo atomo nel 2012. E quest'ultimo risultato, realizzato nel 2021, è l'equivalente del circuito integrato quantistico su scala atomica, con due anni di anticipo. Se lo mappiamo all'evoluzione dell'informatica classica, ' prevedendo che tra cinque anni dovremmo ottenere una sorta di risultato commerciale dalla nostra tecnologia."
Uno dei vantaggi offerti dalla ricerca del team UNSW/SQC è che la tecnologia è scalabile perché riesce a utilizzare meno componenti nel circuito per controllare i qubit, i bit di base dell'informazione quantistica.
"Nei sistemi quantistici, hai bisogno di qualcosa che crei i qubit, una sorta di struttura nel dispositivo che ti permetta di formare lo stato quantistico", afferma il prof. Simmons.
"Nel nostro sistema, gli atomi stessi creano i qubit, richiedendo meno elementi nei circuiti. Avevamo solo bisogno di sei porte metalliche per controllare gli elettroni nel nostro sistema a 10 punti, in altre parole, abbiamo meno porte di quanti sono i componenti del dispositivo attivo . Mentre la maggior parte delle architetture di calcolo quantistico richiede quasi il doppio del numero o più dei sistemi di controllo per spostare gli elettroni nell'architettura qubit."
La necessità di un minor numero di componenti imballati strettamente insieme riduce al minimo la quantità di qualsiasi interferenza con gli stati quantistici, consentendo di ampliare i dispositivi per creare sistemi quantistici più complessi e potenti.
"Quindi quella densità di gate fisici molto bassa è anche molto eccitante per noi, perché mostra che abbiamo questo bel sistema pulito che possiamo manipolare, mantenendo la coerenza su lunghe distanze con un sovraccarico minimo nei gate. Ecco perché è prezioso per scalabile informatica quantistica."
Guardando al futuro, la Prof. Simmons e i suoi colleghi esploreranno composti più grandi che potrebbero essere stati previsti in teoria, ma non sono mai stati simulati e completamente compresi prima, come i superconduttori ad alta temperatura. + Esplora ulteriormente
