Sapo u njoftua një hap i madh përpara në llogaritjen kuantike

Shkencëtarët australianë kanë krijuar qarkun e parë kompjuterik kuantik në botë – një qark që përmban të gjithë komponentët thelbësorë të gjetur në një çip kompjuterik klasik, por në shkallë kuantike.

Zbulimi historik, i botuar sot në Nature, ishte nëntë vjet në përgatitje.

“Ky është zbulimi më emocionues i karrierës sime,” tha për ScienceAlert autorja e vjetër dhe fizikanti kuantik Michelle Simmons, themelues i Silicon Quantum Computing dhe drejtor i Qendrës së Ekselencës për Llogaritjen Kuantike dhe Teknologjinë e Komunikimit në UNSW.

Jo vetëm që Simmons dhe ekipi i saj krijuan atë që në thelb është një procesor kuantik funksional, ata gjithashtu e testuan me sukses atë duke modeluar një molekulë të vogël në të cilën çdo atom ka gjendje të shumta kuantike – diçka që një kompjuter tradicional do të mund të arrinte.

Kjo sugjeron që tani jemi një hap më afër përdorimit përfundimisht të fuqisë së përpunimit kuantik për të kuptuar më shumë rreth botës rreth nesh, madje edhe në shkallën më të vogël.

“Në vitet 1950, Richard Feynman tha se ne kurrë nuk do të kuptojmë se si funksionon bota – si funksionon natyra – nëse nuk mund të fillojmë ta bëjmë atë në të njëjtën shkallë,” tha Simmons për ScienceAlert.

“Nëse mund të fillojmë të kuptojmë materialet në atë nivel, ne mund të dizajnojmë gjëra që nuk janë bërë kurrë më parë.

“Pyetja është: si e kontrolloni në të vërtetë natyrën në atë nivel?”

Shpikja e fundit pason krijimin e ekipit të transistorit të parë kuantik në 2012.

(Një transistor është një pajisje e vogël që kontrollon sinjalet elektronike dhe formon vetëm një pjesë të një qarku kompjuterik. Një qark i integruar është më kompleks pasi bashkon shumë transistorë.)

Për të bërë këtë hap në llogaritjen kuantike, studiuesit përdorën një mikroskop tunelimi skanues në një vakum ultra të lartë për të vendosur pika kuantike me saktësi nën nanometër.

Vendosja e secilës pikë kuantike duhej të ishte saktësisht e duhur, në mënyrë që qarku të mund të imitonte se si elektronet kërcejnë përgjatë një vargu karbonesh me një lidhje të vetme dhe të dyfishtë në një molekulë poliacetileni.

Pjesët më të ndërlikuara po kuptonin: saktësisht sa atome fosfori duhet të ketë në çdo pikë kuantike; saktësisht sa larg duhet të jetë secila pikë; dhe më pas inxhinierimi i një makinerie që mund t’i vendoste pikat e vogla saktësisht në rregullimin e duhur brenda çipit të silikonit.

Nëse pikat kuantike janë shumë të mëdha, ndërveprimi midis dy pikave bëhet “shumë i madh për t’i kontrolluar ato në mënyrë të pavarur”, thonë studiuesit.

Nëse pikat janë shumë të vogla, atëherë ajo paraqet rastësi sepse çdo atom fosfori shtesë mund të ndryshojë ndjeshëm sasinë e energjisë që duhet për të shtuar një elektron tjetër në pikë.

Çipi përfundimtar kuantik përmbante 10 pika kuantike, secila e përbërë nga një numër i vogël atomesh fosfori.

Lidhjet e dyfishta të karbonit u simuluan duke vendosur më pak distancë midis pikave kuantike sesa lidhjet e vetme karboni.

Polyacetileni u zgjodh sepse është një model i njohur dhe për këtë arsye mund të përdoret për të vërtetuar se kompjuteri po simulonte saktë lëvizjen e elektroneve përmes molekulës.

Kompjuterët kuantikë nevojiten sepse kompjuterët klasikë nuk mund të modelojnë molekula të mëdha; ato janë thjesht shumë komplekse.

Për shembull, për të krijuar një simulim të molekulës së penicilinës me 41 atome, një kompjuteri klasik do të kishte nevojë për 1086 transistorë, që është “më shumë transistorë se sa atome në universin e vëzhgueshëm”.

Për një kompjuter kuantik, do të kërkonte vetëm një procesor me 286 kubit (bit kuantik).

Për shkak se shkencëtarët aktualisht kanë dukshmëri të kufizuar se si funksionojnë molekulat në shkallën atomike, ka shumë punë me hamendje në krijimin e materialeve të reja.

“Një nga grailat e shenjtë ka qenë gjithmonë duke krijuar një superpërçues me temperaturë të lartë,” thotë Simmons. “Njerëzit thjesht nuk e dinë mekanizmin se si funksionon.”

Një aplikim tjetër i mundshëm për llogaritjen kuantike është studimi i fotosintezës artificiale dhe se si drita shndërrohet në energji kimike përmes një zinxhiri organik reaksionesh.

Një problem tjetër i madh që kompjuterët kuantikë mund të ndihmojnë në zgjidhjen e tyre është krijimi i plehrave. Lidhjet e trefishta të azotit janë thyer aktualisht në kushte të temperaturës dhe presionit të lartë në prani të një katalizatori hekuri për të krijuar azot fiks për pleh.

Gjetja e një katalizatori të ndryshëm që mund ta bëjë plehun në mënyrë më efektive mund të kursejë shumë para dhe energji.

Simmons thotë se arritja e kalimit nga transistori kuantik në qark në vetëm nëntë vjet po imiton udhërrëfyesin e vendosur nga shpikësit e kompjuterëve klasikë.

Transistori i parë klasik kompjuterik u krijua në vitin 1947. Qarku i parë i integruar u ndërtua në vitin 1958. Ato dy shpikje kishin 11 vjet diferencë; Ekipi i Simmons e bëri atë kërcim dy vjet përpara afatit.