Un equipo de físicos informáticos cuánticos en UNSW Sydney ha diseñado un procesador cuántico a escala atómica para simular el comportamiento de una pequeña molécula orgánica, resolviendo un desafío planteado hace unos 60 años por el físico teórico Richard Feynman.

El logro, que se produjo dos años antes de lo previsto, representa un hito importante en la carrera por construir la primera computadora cuántica del mundo y demuestra la capacidad del equipo para controlar los estados cuánticos de electrones y átomos en el silicio a un nivel exquisito que no se había logrado antes.

En un artículo publicado hoy en la revista Nature , los investigadores describieron cómo pudieron imitar la estructura y los estados de energía del compuesto orgánico poliacetileno, una cadena repetitiva de átomos de carbono e hidrógeno que se distinguen por enlaces simples y dobles alternados de carbono.

La investigadora principal y ex australiana del año, la profesora de ciencia Michelle Simmons, dijo que el equipo de Silicon Quantum Computing, una de las empresas emergentes más emocionantes de la UNSW, construyó un circuito integrado cuántico que comprende una cadena de 10 puntos cuánticos para simular la ubicación precisa de los átomos. en la cadena de poliacetileno.

"Si te remontas a la década de 1950, Richard Feynman dijo que no puedes entender cómo funciona la naturaleza a menos que puedas construir materia en la misma escala de longitud", dijo el profesor Simmons.

"Y eso es lo que estamos haciendo, lo estamos construyendo literalmente de abajo hacia arriba, donde estamos imitando la molécula de poliacetileno al colocar átomos en silicio con las distancias exactas que representan los enlaces carbono-carbono simples y dobles". /P>

Reacción en cadena

La investigación se basó en medir la corriente eléctrica a través de una réplica de 10 puntos cuánticos diseñada deliberadamente de la molécula de poliacetileno a medida que cada nuevo electrón pasaba de la salida de la fuente del dispositivo al drenaje, el otro extremo del circuito.

Para estar doblemente seguros, simularon dos hebras diferentes de las cadenas de polímero.

En el primer dispositivo cortaron un trozo de la cadena para dejar dobles enlaces al final dando 10 picos en la corriente. En el segundo dispositivo, cortaron un fragmento diferente de la cadena para dejar enlaces simples al final que solo dieron lugar a dos picos en la corriente. Por lo tanto, la corriente que pasa a través de cada cadena fue dramáticamente diferente debido a las diferentes longitudes de enlace de los átomos al final de la cadena.

Las medidas no solo coincidieron con las predicciones teóricas, sino que coincidieron perfectamente.

"Lo que muestra es que puedes imitar literalmente lo que realmente sucede en la molécula real. Y es por eso que es emocionante porque las firmas de las dos cadenas son muy diferentes", dijo el profesor Simmons.

"La mayoría de las otras arquitecturas de computación cuántica que existen no tienen la capacidad de diseñar átomos con precisión subnanométrica o permitir que los átomos se asienten tan cerca.

"Y eso significa que ahora podemos comenzar a comprender moléculas cada vez más complicadas en función de colocar los átomos en su lugar como si estuvieran imitando el sistema físico real".

De pie en el borde

Según el profesor Simmons, no fue casualidad que se eligiera una cadena de carbono de 10 átomos porque se encuentra dentro del límite de tamaño de lo que una computadora clásica puede calcular, con hasta 1024 interacciones separadas de electrones en ese sistema. Si se aumenta a una cadena de 20 puntos, el número de posibles interacciones aumentaría exponencialmente, lo que dificultaría la resolución de una computadora clásica.

"Estamos cerca del límite de lo que pueden hacer las computadoras clásicas, por lo que es como salir del borde hacia lo desconocido", dice.

"Y esto es lo que es emocionante, ahora podemos hacer dispositivos más grandes que van más allá de lo que una computadora clásica puede modelar. Entonces podemos observar moléculas que no han sido simuladas antes. Vamos a poder entender el mundo de una manera diferente, abordando cuestiones fundamentales que nunca antes habíamos podido resolver".

Una de las preguntas a las que aludió el profesor Simmons es sobre comprender e imitar la fotosíntesis:cómo las plantas usan la luz para crear energía química para el crecimiento. O comprender cómo optimizar el diseño de catalizadores utilizados para fertilizantes, actualmente un proceso de alta energía y alto costo.

"Así que hay enormes implicaciones para comprender fundamentalmente cómo funciona la naturaleza", dijo.

Futuros ordenadores cuánticos

Mucho se ha escrito sobre las computadoras cuánticas en las últimas tres décadas y la pregunta de los mil millones de dólares siempre es "¿pero cuándo podremos ver una?"

El profesor Simmons dice que el desarrollo de las computadoras cuánticas está en una trayectoria comparable a la evolución de las computadoras clásicas:de un transistor en 1947 a un circuito integrado en 1958, y luego pequeños chips informáticos que se convirtieron en productos comerciales como calculadoras aproximadamente cinco años después. .

"Y ahora estamos replicando esa hoja de ruta para las computadoras cuánticas", dice el profesor Simmons.

"Comenzamos con un transistor de un solo átomo en 2012. Y este último resultado, realizado en 2021, es el equivalente al circuito integrado cuántico a escala atómica, dos años antes de tiempo. Si lo mapeamos a la evolución de la computación clásica, estamos prediciendo que deberíamos tener algún tipo de resultado comercial de nuestra tecnología dentro de cinco años".

Una de las ventajas que trae la investigación del equipo de UNSW/SQC es que la tecnología es escalable porque logra usar menos componentes en el circuito para controlar los qubits, los bits básicos de información cuántica.

"En los sistemas cuánticos, necesitas algo que cree los qubits, algún tipo de estructura en el dispositivo que te permita formar el estado cuántico", dice el profesor Simmons.

"En nuestro sistema, los átomos mismos crean los qubits, lo que requiere menos elementos en los circuitos. Solo necesitábamos seis puertas metálicas para controlar los electrones en nuestro sistema de 10 puntos; en otras palabras, tenemos menos puertas que componentes activos del dispositivo. Mientras que la mayoría de las arquitecturas de computación cuántica necesitan casi el doble o más de sistemas de control para mover los electrones en la arquitectura qubit".

Al necesitar menos componentes agrupados estrechamente, se minimiza la cantidad de cualquier interferencia con los estados cuánticos, lo que permite que los dispositivos se amplíen para crear sistemas cuánticos más complejos y potentes.

"Así que esa densidad de puerta física muy baja también es muy emocionante para nosotros, porque muestra que tenemos este sistema agradable y limpio que podemos manipular, manteniendo la coherencia a través de largas distancias con una sobrecarga mínima en las puertas. Por eso es valioso para escalable computación cuántica."

De cara al futuro, la profesora Simmons y sus colegas explorarán compuestos más grandes que pueden haberse predicho teóricamente, pero que nunca antes se habían simulado ni comprendido por completo, como los superconductores de alta temperatura. + Explora más

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