Australische wetenschappers zetten de kwantumwereld op een microchip

Dit artikel maakt deel uit van Future Explored, een wekelijkse gids over technologie die de wereld verandert. Je kunt dit soort verhalen elke donderdagochtend rechtstreeks in je inbox krijgen Schrijf je hier in.

Een Australische startup heeft een molecuul gemodelleerd op een microchip en atomen in silicium geplaatst met een precisie van minder dan een nanometer.

Dit vermogen om deeltjes op atomair niveau te simuleren – waar de kwantummechanica de materie beheerst – zou ons begrip van de kwantumwereld kunnen verbeteren en leiden tot de creatie van ongelooflijke nieuwe materialen, zoals hoge temperaturen supergeleiders of super efficiënt Zonnepanelen.

“We kunnen het gedrag van de natuur gaan simuleren en dan kunnen we beginnen met het maken van nieuwe soorten materialen en apparaten die de wereld nog nooit eerder heeft gezien,” Hij zei Michelle Simmons, oprichter van Silicon Quantum Computing, de startup die verantwoordelijk is voor de microchip.

kleinschalig denken

Twee miljoen jaar na het maken van onze eerste stenen werktuigen, hebben mensen ontdekt dat wanneer we inzoomen op materie, kijkend naar de atomen en subatomaire deeltjes waaruit het bestaat, ze zich houden aan een andere reeks regels dan die welke organismen over een groter gebied regeren. Schaal.

Deze regels (“kwantummechanica”) kunnen hun eigen regels hebben Handige apps Magnetische resonantiebeeldapparatuur, zonnecellen en atoomklokken maken gebruik van het kwantumfenomeen.

“We kunnen nieuwe soorten materialen en apparaten gaan maken die de wereld nog nooit eerder heeft gezien.”

Michelle Simmons

Maar hoewel het gemakkelijk is om een ​​steen op te tillen en te extrapoleren dat het nuttig kan zijn om dingen te vernietigen, is het niet gemakkelijk om te zien of te begrijpen hoe materie zich op de kwantumschaal gedraagt ​​- vooral omdat de waarneming zelf kwantumsystemen beïnvloedt.

We kunnen computerprogramma’s gebruiken om het gedrag van sommige kleine moleculen op atomair of subatomair niveau te simuleren, maar dit is geen haalbare optie voor grotere moleculen: er zijn veel mogelijke interacties tussen hun moleculen.

“Als we de stof kunnen gaan begrijpen in [the quantum] niveau, kunnen we dingen ontwerpen die nog nooit eerder zijn gemaakt,” Simmons ScienceAlert. zei:. “De vraag is: hoe beheers je de natuur op dit niveau eigenlijk?”

kwantumsimulatie

Het antwoord lijkt te zijn door moleculen te modelleren op siliciumwafels.

Sinds kort studieHet SQC-team heeft met succes een microchip op atomair niveau gefabriceerd, waarbij 10 synthetische atomen van uniforme grootte zijn gemaakt – ook bekend als “quantum dots” – en vervolgens een scanning tunneling-microscoop gebruikt om de stippen in silicium nauwkeurig te lokaliseren.

Het team heeft hun chip gemodelleerd volgens de structuur van polyacetyleen, een molecuul gemaakt van koolstof- en waterstofatomen die zijn verbonden door afwisselende enkele en dubbele koolstofbindingen.

Eenmaal gebouwd, kunnen ze een elektrische lading aanbrengen op een deel van de wafel (de “bron”) en bestuderen hoe het langs de keten van atomen uit een ander deel (de “afvoer”) beweegt.

“We bouwen het eigenlijk van onder naar boven en bootsen een polyacetyleenmolecuul na door atomen in silicium te plaatsen op de exacte afstanden die de enkele en dubbele koolstofbindingen vertegenwoordigen,” Hij zei Simons.

Op basis van theoretische voorspellingen wordt verondersteld dat polyacetyleen zich anders gedraagt, afhankelijk van of de moleculaire keten begint en eindigt met dubbele koolstofbindingen of enkele koolstofbindingen.

Om te controleren of hun modelleringstechniek klopte, creëerden de onderzoekers een enkele chip op basis van elke release – en zagen ze dat het aantal elektrische pieken veranderde naarmate de stroom door elke release ging.

“Dit bevestigt oude theoretische voorspellingen en toont ons vermogen om het polyacetyleenmolecuul nauwkeurig te simuleren”, aldus SQC.

Het team observeerde ook een elektron dat op twee plaatsen tegelijk aanwezig was, een voorbeeld van een kwantumfenomeen overlappen.

“wat of wat” [this model is] De show is dat je letterlijk kunt nabootsen wat er werkelijk aan de hand is in het echte molecuul, en daarom is het opwindend omdat de handtekeningen van de twee ketens zo verschillend zijn,” zei Simmons.

Wat is het volgende?

Het team koos een 10-punts keten van een polyacetyleenmolecuul om hun techniek te demonstreren, omdat dit iets is dat we kunnen simuleren met klassieke computers. Nu zijn ze op zoek naar uitbreiding.

“We komen dicht bij de limiet van wat klassieke computers kunnen doen, dus het is alsof je van de rand stapt in het onbekende,” zei Simmons. “En dat is het opwindende – we kunnen nu grotere machines maken die verder gaan dan wat een klassieke computer kan ontwerpen.”

Dit kunnen toekomstige kwantummodellen zijn van materialen die leiden tot nieuwe batterijen, geneesmiddelen en meer, voorspelt Simmons.

“Het zal niet lang duren voordat we nieuwe materialen gaan produceren die er eerder niet waren”, zei ze.

We horen graag van je! Als je een opmerking hebt over dit artikel of als je advies hebt over een toekomstig Freethink-verhaal, stuur dan een e-mail naar: [email protected].