艺术家的表演展示了研究人员的量子官能团（色彩鲜艳的球体）与较大分子的连接。图片来源：Stephan Sullivan
量子计算虽然仍处于早期阶段，但有可能通过在最小尺度上利用粒子的奇怪行为来显着提高处理能力。一些研究小组已经报告说，执行计算需要传统超级计算机数千年的时间。从长远来看，量子计算机可以提供牢不可破的加密和自然模拟，超越当今的能力。
由加州大学洛杉矶分校领导的跨学科研究团队，包括哈佛大学的合作者，现在已经为构建这些计算机制定了一种全新的策略。虽然目前的技术水平采用了电路，半导体和其他电气工程工具，但该团队已经制定了一个游戏计划，该计划基于化学家定制设计原子构建块的能力，这些构建块在将它们放在一起时控制较大分子结构的性质。
上周发表在《自然化学》杂志上的研究结果最终可能导致量子处理能力的飞跃。
“我们的想法是，与其建造一台量子计算机，不如让化学为我们建造它，”加州大学洛杉矶分校的David S. Saxon总统物理学教授，该研究的通讯作者Eric Hudson说。“我们所有人都在学习这种量子技术的规则，所以这项工作现在非常科幻。
传统计算中的基本信息单位是位，每个位都限制为只有两个值之一。相比之下，一组量子比特（或量子比特）可以具有更广泛的值范围，从而成倍地提高计算机的处理能力。只需要超过1，000个正常位才能表示10个量子位，而20个量子位需要超过100万个位。
这种特征是量子计算转型潜力的核心，取决于原子相互作用时适用的反直觉规则。例如，当两个粒子相互作用时，它们可以变得连接或纠缠，因此测量一个粒子的属性决定了另一个粒子的属性。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变化时，它们会失去实现量子算法所需的“量子性”。这将最强大的量子计算机限制在100个量子位以下，并且将这些量子位保持在量子状态需要大型机器。
为了实际应用量子计算，工程师必须扩大处理能力。Hudson和他的同事们认为，他们已经迈出了这项研究的第一步，理论指导团队量身定制保护量子行为的分子。
科学家们开发了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到几乎任何其他分子中，同时也赋予该分子自己的性质。
研究小组表明，即使附着在更大的分子上，它们的官能团也能保持其所需的结构。它们的量子比特也可以承受激光冷却，这是量子计算的关键要求。
“如果我们能够将量子官能团结合到表面或一些长分子上，我们可能能够控制更多的量子比特，”哈德森说。“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。你可以想做多少就做多少。
除了具有下一代计算的潜力之外，量子官能团还可以成为化学和生命科学领域基本发现的福音，例如通过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。
“量子比特也可以成为非常灵敏的测量工具，”该研究的共同作者，加州大学洛杉矶分校化学和生物化学助理教授Justin Caram说。“如果我们能够保护它们，使它们能够在生物系统等复杂环境中生存，我们将拥有大量关于我们世界的新信息。
哈德森说，基于化学的量子计算机的发展实际上可能需要几十年的时间，并且不确定能否成功。未来的步骤包括将量子比特锚定在较大的分子上，诱导系留的量子比特作为处理器进行交互，而不会产生不必要的信号，并将它们纠缠在一起，使它们作为一个系统工作。
该项目由能源部拨款资助，使物理学家和化学家有机会通过特定学科的术语，并用共同的科学语言说话。Caram还赞扬了加州大学洛杉矶分校轻松合作的氛围。
“这是我参与过的智力最充实的项目之一，”他说。“埃里克和我第一次见面是在教师中心吃午饭。这源于有趣的对话和对新朋友交谈的开放态度。
