加州大学洛杉矶分校开发出构建量子计算机的新方法

技术进展 量科网 2022-08-04 08:20

量子计算虽然仍处于早期阶段,但我们有可能通过利用最小尺度上粒子的奇怪行为来显着提高处理能力。从长远来看,量子计算机可以提供无法破解的加密和模拟自然的能力。上周,发表在《自然·化学》杂志上的研究结果可能会最终导致量子处理能力出现飞跃。

这个由加州大学洛杉矶分校领导的跨学科研究团队——包括来自哈佛大学的合作者,他们现已开发出一种全新的方法来构建这些计算机。虽然目前最先进的技术是使用电路、半导体和其他电气工程工具,但该团队已经制定了一个量子计算机的开发计划,这种计算机基于化学家定制设计原子构建块的能力,这些原子构建块在放置在一起时,它们可以控制更大分子结构的属性。

加州大学洛杉矶分校的物理学教授、该研究的通讯作者Eric Hudson说:“我们的想法是,让化学来为我们建造它,而不是建造一台量子计算机。我们所有人都还在学习这种量子技术的规则,所以这项工作目前是非常科幻的。”

传统计算中信息的基本单位是比特,每个比特都被限制为0或1的两个值之一。相比之下,一组量子比特可以具有更广泛的值范围,从而可以实现成倍地增加计算机的处理能力。仅仅表示10个量子比特就需要超过1000个普通比特,而20个量子比特需要超过100万个普通比特。

这一特性是量子计算具有变革潜力的核心,它取决于原子相互作用时也适用的且违反直觉的量子物理规则。例如,当两个粒子相互作用时,它们可以连接或纠缠在一起,因此测量一个粒子的属性可以确定另一个粒子的属性。纠缠量子比特是量子计算的要求。

然而,这种纠缠是脆弱的。当量子比特在其环境中遇到细微的变化时,它们就会失去实现量子算法所需的“量子性”。这将目前最强大的量子计算机限制在100个量子比特左右,并且将这些量子比特保持其量子态需要大型的机器。

为了实际应用量子计算,工程师必须扩大处理能力。Hudson和他的同事相信他们已经在这项研究中迈出了第一步,理论指导团队量身定制了保护量子行为的分子。他们开发了一种包括钙和氧原子并充当量子比特的小分子。这些钙-氧结构形成了化学家所说的官能团,这意味着它可以插入几乎任何的其他分子中,同时也会赋予该分子自己的特性。

该团队表明,即使连接到更大的分子上,官能团也能保持其所需的结构。他们的量子比特还可以承受激光冷却,这是量子计算的关键要求。Hudson说:“如果我们可以将一个量子官能团结合到一个表面或一些长分子上,我们或许能够控制更多的量子比特。扩大规模也应该更便宜,因为原子是宇宙中最便宜的东西之一。你可以随心所欲地制造。”

除了在下一代计算技术方面的潜力外,量子官能团还可以为化学和生命科学的基本发现带来福音,例如可以帮助科学家更多地了解人体中各种分子和化学物质的结构和功能.

该研究的合著者、加州大学洛杉矶分校化学和生物化学助理教授Justin Caram说:“量子比特也可以是非常灵敏的测量工具。如果我们能够保护它们,使它们能够在复杂的环境(例如生物系统)中生存,那么我们将掌握更多关于我们世界的新信息。”

Hudson说,基于化学的量子计算机的开发实​​际上可能需要几十年的时间,而且不一定会成功。他们的未来计划包括将量子比特锚定到更大的分子上,诱使系留的量子比特作为处理器进行交互,且无需发出不需要的信号,以及将研究把它们纠缠在一起,使它们作为一个系统来工作。(编译:Qtech)