近日，據(jù)外媒報(bào)道稱(chēng)，澳大利亞硅量子計(jì)算公司SQC宣布制造出世界上第一個(gè)原子級(jí)量子集成電路。這是一個(gè)包含經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片上所有基本組件的電路，但體量是在量子尺度上。目前相關(guān)成果論文已發(fā)表在最新的《自然》雜志上。 “這是一個(gè)重大突破，”SQC創(chuàng)始人Michelle Simmons表示，“由于原子之間可能存在大量相互作用，如今的經(jīng)典計(jì)算機(jī)甚至難以模擬相對(duì)較小的分子。SQC原子級(jí)電路技術(shù)的開(kāi)發(fā)將使公司及其客戶(hù)能夠?yàn)橐幌盗行虏牧蠘?gòu)建量子模型，無(wú)論是藥物、電池材料還是催化劑。用不了多久，我們就可以開(kāi)始發(fā)現(xiàn)以前從未存在過(guò)的新材料。

值得一提的是，除了體量上的突破，這項(xiàng)成果還首次解決了著名理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在63年前提出的一個(gè)難題：費(fèi)曼曾在1959年演講《Plenty of Room at the Bottom》中斷言，如果你想了解大自然是如何運(yùn)作的，那么你必須能夠在構(gòu)成物質(zhì)的相同長(zhǎng)度尺度上控制物質(zhì)。也就是說(shuō)，你必須能夠在原子的長(zhǎng)度尺度上控制物質(zhì)。這一難題整整困擾了人們60多年，直到今天，SQC團(tuán)隊(duì)才證實(shí)了費(fèi)曼的猜想，即利用硅中的原子組成，構(gòu)建了世界上首個(gè)原子級(jí)量子集成電路。

原子級(jí)量子芯片如何制造的？

眾所周知，常見(jiàn)的量子計(jì)算芯片中，無(wú)論是超導(dǎo)、離子阱，還是光子芯片，都是肉眼可見(jiàn)的。而原子級(jí)量子集成電路，則需要通過(guò)掃描隧道顯微鏡等工具才能一探究竟。那么SQC團(tuán)隊(duì)是如何做到的呢？ 簡(jiǎn)單概括來(lái)看，為了制造出原子級(jí)的量子集成電路，SQC需要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)原子級(jí)技術(shù)：1．制造出尺寸均勻的小原子點(diǎn)；2．不僅要能單獨(dú)調(diào)整每個(gè)量子點(diǎn)的能級(jí)，也可以集體調(diào)整全部量子點(diǎn)的能級(jí)；3．能夠在亞納米的精度上控制量子點(diǎn)之間的距離，使其距離足夠近，但又保持獨(dú)立性。 據(jù)悉，通過(guò)以亞納米精度將原子置于硅中，SQC團(tuán)隊(duì)能夠模擬聚乙炔鏈的單碳鍵和雙碳鍵。首先，從硅晶片開(kāi)始，SQC團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了磷原子的小點(diǎn)（稱(chēng)為“量子點(diǎn)”），其尺寸和間距嚴(yán)格一致，以模擬分子中碳原子的鍵和能級(jí)。

（掃描隧道顯微鏡下的SQC原子級(jí)量子集成電路圖像） 其次，使用納米級(jí)精度，SQC團(tuán)隊(duì)添加了六個(gè)控制電極（G1－G6），以單獨(dú)調(diào)整每個(gè)點(diǎn)的能級(jí)，并共同調(diào)整所有10個(gè)量子點(diǎn)，以完全控制電子在聚乙炔鏈中的位置。通過(guò)添加源極 （S） 和漏極 （D） 引線，研究人員可以測(cè)量當(dāng)電子通過(guò)10量子點(diǎn)鏈時(shí)通過(guò)設(shè)備的電流。 除此之外，通過(guò)將聚乙炔模型嵌入到原子級(jí)設(shè)備中，并測(cè)量通過(guò)它的電流，他們表明該設(shè)備的表現(xiàn)與預(yù)測(cè)的一樣出色的聚乙炔模型，包括觀察同時(shí)存在于兩個(gè)地方的電子。 該項(xiàng)成果論文日前已發(fā)表在最新的《自然》雜志上。在論文中，SQC稱(chēng)，其在原子級(jí)精密制造和控制方面的領(lǐng)先地位使其能夠在其位于悉尼新南威爾士大學(xué)的內(nèi)部制造設(shè)施中構(gòu)建模擬量子處理器。

在制造出用作模擬量子處理器的原子級(jí)集成電路后，SQC團(tuán)隊(duì)用這種量子處理器精確地模擬了一個(gè)小的有機(jī)聚乙炔分子的量子態(tài)，從而證明了他們的量子系統(tǒng)建模技術(shù)的有效性。通過(guò)精確控制原子的量子態(tài)，新處理器可模擬分子的結(jié)構(gòu)和特性，有望幫助科學(xué)家“解鎖”未來(lái)的全新材料和催化劑。 據(jù)悉，聚乙炔是一種由碳和氫原子組成的重復(fù)鏈，其結(jié)構(gòu)包括單雙鍵交替的共軛結(jié)構(gòu)，目前可用于制備太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體材料和電活性聚合物等。

（聚乙炔結(jié)構(gòu)圖）

量子計(jì)算市場(chǎng)熱潮不減

就在前不久，SQC宣布啟動(dòng)1．3億澳元（約9000萬(wàn)美元）的A輪融資，為該公司2023年至2028年的技術(shù)開(kāi)發(fā)、運(yùn)營(yíng)和戰(zhàn)略活動(dòng)提供資金。如果完成融資，這將創(chuàng)造硅基量子計(jì)算公司單筆融資最高記錄。 據(jù)了解，SQC由新南威爾士大學(xué)量子物理科學(xué)教授Michelle Simmons于2017年創(chuàng)立，該公司當(dāng)時(shí)獲得了澳大利亞聯(lián)邦政府、新南威爾士州政府、澳大利亞電信（Telstra）、澳大利亞聯(lián)邦銀行（CBA）和新南威爾士大學(xué)8300萬(wàn)澳元的種子資金支持。今年7月1日，Simmons將正式擔(dān)任SQC的首席執(zhí)行官。

SQC計(jì)劃到21世紀(jì)30年代制造出一臺(tái)廣泛有用的量子計(jì)算機(jī)，這個(gè)過(guò)程中的關(guān)鍵里程碑包括到2023年展示可靠生產(chǎn)10量子比特原型量子集成處理器所需的能力，并在2030年之前提供基于100量子比特量子處理器的實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)的可編程設(shè)備。 在進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和決策方面，量子計(jì)算機(jī)將被證明比經(jīng)典計(jì)算機(jī)強(qiáng)大得多，SQC的企業(yè)支持者不僅是為了潛在的豐厚的未來(lái)財(cái)務(wù)回報(bào)，也是為了學(xué)習(xí)和影響發(fā)展。 Simmons認(rèn)為：“總的來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為量子計(jì)算市場(chǎng)目前非常熱門(mén)和活躍，所以從量子的角度來(lái)看，這是一個(gè)好時(shí)機(jī)。作為一家公司，我們已經(jīng)取得了一些驚人的成果，我們將很快公布，而（融資）是我們里程碑的一部分，所以這是我們前進(jìn)的好時(shí)機(jī)?！?雖然Simmons教授還不能公開(kāi)討論細(xì)節(jié)，但她相信即將公布的“重大里程碑”將在投資者中引起興奮，并在澳大利亞制造業(yè)產(chǎn)生反響。

審核編輯：黃飛