Australische Wissenschaftler haben die weltweit erste Quantencomputerschaltung entwickelt – eine Schaltung, die alle grundlegenden Komponenten eines klassischen Computerchips enthält, jedoch im Quantenmaßstab. Die bahnbrechende Entdeckung, die gestern in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, dauerte neun Jahre.
„Dies ist eine aufregende Entdeckung in meiner Karriere“, sagte die leitende Autorin und Quantenphysikerin Michelle Simmons, Gründerin von Silicon Quantum Computing und Direktorin des Kompetenzzentrums für Quantencomputer- und Kommunikationstechnologien der UNSW, gegenüber ScienceAlert.
Simmons und ihr Team haben nicht nur einen funktionalen Quantenprozessor entwickelt, sondern ihn auch erfolgreich getestet, indem sie ein kleines Molekül simuliert haben, in dem jedes Atom mehrere Quantenzustände hat – etwas, das ein herkömmlicher Computer nur schwer erreichen würde.
Dies deutet darauf hin, dass wir nun einen Schritt näher daran sind, endlich die Kraft der Quantenverarbeitung zu nutzen, um die Welt um uns herum besser zu verstehen, selbst im kleinsten Maßstab.
„In den 1950er Jahren sagte Richard Feynman, dass wir niemals verstehen werden, wie die Welt funktioniert – wie die Natur funktioniert – es sei denn, wir können anfangen, es im gleichen Maßstab zu tun“, sagte Simmons gegenüber ScienceAlert. „Wenn wir beginnen, Materialien auf dieser Ebene zu verstehen, können wir Dinge erschaffen, die noch nie zuvor gemacht wurden. Die Frage ist, wie kann man die Natur auf dieser Ebene tatsächlich kontrollieren?".
Um einen Sprung auf dem Gebiet der Quantencomputer zu machen, verwendeten die Forscher ein Rastertunnelmikroskop im Ultrahochvakuum, um Quantenpunkte mit Subnanometer-Präzision zu platzieren. Die Position jedes Quantenpunkts muss korrekt sein, damit das Schema nachahmen kann, wie sich Elektronen entlang einer Reihe von Kohlenstoffen mit einer oder zwei Bindungen im Polyacetylenmolekül bewegen.
Das Schwierigste war, genau herauszufinden, wie viele Phosphoratome sich in jedem Quantenpunkt befinden sollten, den genauen Abstand zwischen jedem Punkt, und dann eine Maschine zu entwerfen, die die winzigen Punkte in einer präzisen Reihenfolge in einem Siliziumchip platzieren konnte. Wenn die Quantenpunkte zu groß sind, wird die Wechselwirkung zwischen den beiden Punkten "zu groß, um unabhängig voneinander gesteuert zu werden", sagen die Forscher.
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Polyacetylen wurde ausgewählt, weil es ein bekanntes Modell ist und daher verwendet werden kann, um zu beweisen, dass der Computer die Bewegung von Elektronen durch das Molekül korrekt modelliert.
Da Wissenschaftler derzeit nur ein begrenztes Verständnis davon haben, wie Moleküle auf atomarer Ebene funktionieren, gibt es viele Annahmen bei der Entwicklung neuer Materialien. „Einer der heiligen Grale war schon immer die Herstellung von Hochtemperatur-Supraleitern“, sagt Simmons. Eine weitere potenzielle Anwendung des Quantencomputers ist die Untersuchung der künstlichen Photosynthese und der Umwandlung von Licht in chemische Energie durch organische Kettenreaktionen.
Ein weiteres großes Problem, das Quantencomputer lösen können, ist die Herstellung von Düngemitteln. Stickstoff-Dreifachbindungen werden derzeit unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen in Gegenwart eines Eisenkatalysators abgebaut, um festen Stickstoff für Düngemittel zu erzeugen. Die Suche nach einem anderen Katalysator, der den Dünger effektiver machen kann, kann viel Geld und Energie sparen.
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