تم الإعلان للتو عن خطوة كبيرة إلى الأمام في الحوسبة الكمية: أول دائرة كمومية على الإطلاق

(ناتاليا بوروفا / جيتي إيماجيس)

ابتكر العلماء الأستراليون الأول من نوعه في العالم بقدر جهاز الكمبيوتر الدائرة - واحدة تحتوي على جميع المكونات الأساسية الموجودة في شريحة كمبيوتر كلاسيكية ولكن على نطاق كمي.

تم نشر الاكتشاف التاريخي في طبيعة سجية اليوم ، كانت تسع سنوات في طور الإعداد.

ميشيل سيمونز ، المؤلفة الرئيسية والفيزيائية الكمومية ، مؤسسة Silicon الاحصاء الكمية ومدير مركز التميز للحساب الكمي وتكنولوجيا الاتصالات في جامعة نيو ساوث ويلز لـ Energyeffic.

لم تكتف سيمونز وفريقها بإنشاء ما هو أساسًا معالج كمومي وظيفي ، بل اختبروه أيضًا بنجاح من خلال نمذجة جزيء صغير لكل ذرة حالات كمومية متعددة - وهو أمر سيكافح الكمبيوتر التقليدي لتحقيقه.

يشير هذا إلى أننا الآن نقترب خطوة من استخدام قوة المعالجة الكمومية أخيرًا لفهم المزيد عن العالم من حولنا ، حتى على أصغر نطاق.

'في 1950s، ريتشارد فاينمان قال إننا لن نفهم أبدًا كيف يعمل العالم - كيف تعمل الطبيعة - ما لم نتمكن بالفعل من البدء في صنعه على نفس النطاق ، '' قال سيمونز لـ Energyeffic.

إذا تمكنا من البدء في فهم المواد على هذا المستوى ، فيمكننا تصميم أشياء لم يتم صنعها من قبل.

'السؤال هو: كيف يمكنك التحكم في الطبيعة بالفعل على هذا المستوى؟'

يأتي الاختراع الأخير بعد إنشاء الفريق لأول ترانزستور كمي في عام 2012.

الترانزستور هو جهاز صغير يتحكم في الإشارات الإلكترونية ويشكل جزءًا واحدًا فقط من دائرة الكمبيوتر. الدائرة المتكاملة أكثر تعقيدًا لأنها تجمع الكثير من الترانزستورات معًا.)

لتحقيق هذه القفزة في الحوسبة الكمومية ، استخدم الباحثون مجهر مسح نفقي في فراغ عالي جدًا لوضع النقاط الكمومية بدقة تحت نانومتر.

يجب أن يكون وضع كل نقطة كمومية صحيحًا تمامًا حتى تتمكن الدائرة من محاكاة كيف تقفز الإلكترونات على طول سلسلة من الكربون أحادي وثنائي الترابط في جزيء بولي أسيتيلين.

كانت أصعب الأجزاء هي اكتشاف: عدد ذرات الفوسفور التي يجب أن تكون بالضبط في كل نقطة كمومية ؛ بالضبط إلى أي مدى يجب أن تكون كل نقطة متباعدة ؛ ثم هندسة آلة يمكنها وضع النقاط الصغيرة في الترتيب الصحيح تمامًا داخل شريحة السيليكون.

يقول الباحثون إنه إذا كانت النقاط الكمومية كبيرة جدًا ، فإن التفاعل بين نقطتين يصبح `` أكبر من أن تتحكم فيهما بشكل مستقل ''.

إذا كانت النقاط صغيرة جدًا ، فإنها تقدم العشوائية لأن كل ذرة فوسفور إضافية يمكن أن تغير بشكل كبير كمية الطاقة اللازمة لإضافة إلكترون آخر إلى النقطة.

احتوت الشريحة الكمومية النهائية على 10 نقاط كمومية ، كل منها يتكون من عدد صغير من ذرات الفوسفور.

تمت محاكاة روابط الكربون المزدوجة عن طريق وضع مسافة أقل بين النقاط الكمومية مقارنة بالروابط الكربونية المفردة.

تم اختيار البولي أسيتيلين لأنه نموذج مشهور ويمكن بالتالي استخدامه لإثبات أن الكمبيوتر كان يحاكي بشكل صحيح حركة الإلكترونات عبر الجزيء.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية هناك حاجة لأن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لا يمكنها نمذجة الجزيئات الكبيرة ؛ إنها معقدة للغاية.

على سبيل المثال ، لإنشاء محاكاة لجزيء البنسلين مع 41 ذرة ، يحتاج الكمبيوتر الكلاسيكي إلى 1086الترانزستورات ، وهي ترانزستورات أكثر من عدد الذرات في الكون المرئي '.

بالنسبة لجهاز كمبيوتر كمي ، فإنه يتطلب فقط معالجًا بامتداد 286 كيوبت (بتات الكم).

نظرًا لأن العلماء حاليًا لديهم رؤية محدودة حول كيفية عمل الجزيئات على المستوى الذري ، فهناك الكثير من التخمينات في إنشاء مواد جديدة.

لطالما كانت إحدى الكؤوس المقدسة تتسبب في ارتفاع درجة الحرارة موصل فائق يقول سيمونز. 'الناس فقط لا يعرفون آلية كيفية عملها.'

تطبيق محتمل آخر للحوسبة الكمومية هو دراسة التمثيل الضوئي الاصطناعي ، وكيف يتم تحويل الضوء إلى طاقة كيميائية من خلال سلسلة عضوية من التفاعلات.

مشكلة كبيرة أخرى يمكن أن تساعد الحواسيب الكمومية في حلها هي صناعة الأسمدة. يتم حاليًا كسر روابط النيتروجين الثلاثية في ظل ظروف درجات حرارة وضغط عالية في وجود محفز حديدي لتكوين نيتروجين ثابت للأسمدة.

إن العثور على محفز مختلف يمكن أن يجعل الأسمدة أكثر فاعلية يمكن أن يوفر الكثير من المال والطاقة.

يقول سيمونز إن إنجاز الانتقال من الترانزستور الكمومي إلى الدائرة في غضون تسع سنوات فقط يحاكي خارطة الطريق التي وضعها مخترعو الحواسيب الكلاسيكية.

تم إنشاء أول ترانزستور حاسوبي كلاسيكي في عام 1947. وقد تم بناء أول دائرة متكاملة في عام 1958. تفصل بين هذين الاختراعين 11 سنة. حقق فريق Simmons هذه القفزة قبل عامين من الموعد المحدد.

تم نشر هذه المقالة في طبيعة سجية .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.