Kaip sukurti pačios aukščiausios kokybės daiktus? Prieš 60 metų išsakyta fiziko svajonė ir atominis Legolendas

Bet netgi Curtarolo kol kas negali vykdyti simuliacijų po vieną atomą. Naujieji jo magnetai buvo mišiniai iš trijų medžiagų, kurių atomai sudaro išsidėstę tvarkingą, pasikartojančią struktūrą – tokias problemas kompiuteriams spręsti daug lengviau. Medžiagos, surinktos po vieną atomą, savybių prognozavimui reikia neišpasakytai daug skaičiavimo galios, kurios dabar paprasčiausiai neturime.

Tad Feynmano svajonei lemta likti tik svajone? Ne visai. Nes, pasirodo, tais pačiais atomus stumdančiais mechanizmais galima sukurti įtaisus, atliekančius intensyvias simuliacijos užduotis, būtinas, ieškant tinkamo atomų išdėstymo.

„Medžiagos, surinktos po vieną atomą, savybių prognozavimui reikia neišpasakytai daug skaičiavimo galios, kurios dabar paprasčiausiai neturime.“

Mums reikia kvantinio kompiuterio – įrenginio, keistas kvantų mechanikos savybes išnaudojančio pasiekti tokias skaičiavimo galios viršūnes, apie kokias klasikiniai kompiuteriai gali tik svajoti. Pati koncepcija gan paprasta. Įprastuose kompiuteriuose tranzistorius gali būti vienos iš dviejų būsenų – įjungtas arba išjungtas. Be kvantinė savybė, pavyzdžiui, kvantinio bito – kubito – sukinys, gali būti į viršų, į apačią, arba abiejų šių savybių superpozicija. Panaudojus tokią ypatybę skaičiavimams, įrenginys tuo pačiu metu gali suskaičiuoti daug įmanomų problemos sprendinių. Sujungus du kubitus, sistema gali būti keturių būsenų tuo pat metu. Sujungus tris, būsenos bus jau aštuonios. Skaičiavimo galia auga eksponentiškai.

Sujungus, tarkime 300 kubitų, gautos sistemos skaičiavimo galia viršys visų pasaulio kompiuterių bendrą skaičiavimo galią. Sprendžiant tam tikras problemas, – paskutinėje vietoje ir daugybės atomų sąveikos, kuriant tam tikrų savybių medžiagas, simuliavimas, – tokia galia pakeistų žaidimo taisykles. „Kvantinis kompiuteris reikštų galimų atlikti simuliacijų kvantinį šuolį“ sako Curtarolo.

Tik bėda, kad praktiško kvantinio kompiuterio dar neturime, ir ne todėl, kad nebūtų besistengiančių. Google kuria įrenginį, kuriame aliuminio grandynai atšaldomi iki superlaidumo temperatūros, o Microsoft nori panaudoti „topologinius kubitus“ – ant 2D paviršiaus išdėstytos kvazidalelės, kurios nelabai sunkiai išlaikytų reikiamą kvantinę būseną.

Michelle Simmons ir jos komanda Naujojo Pietų Velso universitete Australijoje, stato už atomų stumdymo galią. Jie skenuojančiais elektroniniais mikroskopais rūpestingai dėlioja atskirus fosforo atomus ant silicio – kiekvienas fosforo atomas sudaro vieną kubitą.

Toks būdas jiems atrodo tinkamesnis, nes kompiuterių lustų pramonė jau gerai pažįsta silicį. „Manome, bus daug lengviau pagaminti visavertį procesoriaus lustą, nei bet kurį kitą pažangų dizainą, paremtą labiau egzotiškomis technologijomis,“ sako komandos narys Andrew Dzurak. Galbūt jie teisūs, tačiau pirmiausiai privalo įrodyti, kad geba tai atlikti.

„Kai pasiūlėme tai 2000 metais, daugelis nemanė, kad įmanoma kontroliuoti pasaulį tokiu lygiu – tiesiog nebuvo technologijų,“ sako Simmons. Taigi, teko jas išrasti. Pirmoji problema buvo lipni. Fosforas jungtis su siliciu tokia stipri, kad skenuojančiu tuneliuojančiu mikroskopu fosforo atomų stumdyti ant silicio paviršiaus nepavyko. Tad, mokslininkai sukosi iš padėties: jie padengė silicį nelimpančiu vandenilio sluoksniu, o tada mikroskopu išpešiojo vandenilio atomus, dengiančius vietas, kur norėjo padėti fosforo atomą. Toks būdas veikė idealiai.

2012 metais, įveikusi dar kelias inžinerines problemas, Simmons su kolegomis pademonstravo veikiantį tranzistorių, pagamintą iš vienintelio fosforo atomo silicio grandinėje. Po trijų metų jie pademonstravo dviejų kubitų sistemą iš dviejų kubitų, sukurtų iš dviejų fosforo atomų sujungtų taip, kad suformuotų loginius vartus. Dabar jie turi paskirtą finansavimą sukurti 10 kubitų įrenginį per 5 metus.

„Sprendimas yra prietaisas, galintis gaminti daugybę stebuklingų medžiagų receptų“

Galiausiai planuojama sukurti 1024 kubitų kvantinį kompiuterį. Kaip parodė Otte nanometrinis atminties lustas, esant palankiam vėjui įmanoma stumdyti dešimtis tūkstančių atskirų atomų, tad Simmons turėtų pavykti. Įvaldžius manipuliavimą atskirais atomais, dabar jai kilo iššūkis sukurti veikiančiam kvantiniam kompiuteriui būtinus grandynus.

Bet netgi kai turėsime kvantinius kompiuterius, beriančius stebuklingų medžiagų receptus kaip pupas, Otte, Curtarolo ir bet kam, norinčiam dėlioti atomus, liks paskutinis iššūkis: mastas. Atrodytų, išmintinga strategija būtų naudoti skenuojančius mikroskopus su daug lygiagrečiai dirbančių smaigalių. Bet praktiškai, dėl to paties jautrumo, leidžiančio stiliaus smaigaliu manipuliuoti vienu atomu, jie tampa pernelyg pažeidžiami vibracijų. „Yra aparatų, turinčių keturis zondus, bet jį naudoti keturis kartus sudėtingiau, nei vieno zondo mašiną,“ sako Otte. „padidinti tai 1000 kartų būtų neįtikėtinai sunku.“

Vėlgi, skenuojantys mikroskopai niekada nebuvo kuriami pramoninei gamybai. „Manau, tereikia, kad apie tai imtų galvoti žmonės, kurių patirtis ir filosofija kitokia,“ svarsto Otte. „Manau, galima sugalvoti naujų idėjų.“

Efemeriškoji chemija

Lašelis šio, 3 gramai ano; pamaišykite ir žiūrėkite, kaip burbuliuoja. Lig šiol chemija priminė kulinariją, ieškančią tinkamo norimos medžiagos gavimo recepto.

Leo Gross ir jo kolegos iš IBM Research Ciuriche yra labiau chirurgiško būdo pirmeiviai. Naudodamas atomus galintį stumdyti mikroskopą, Grossas sukelia reakcijas, pašalindamas iš molekulių po atomą.

Skenuojantys tuneliavimo mikroskopai veikia labai žemoje temperatūroje, tad juos galima panaudoti labai reaktyvių molekulių gavimui ir tyrimui, sako Grossas. Tai galėtų padėti mums ištobulinti katalitinę polimerų, vaistų ir kitų kasdien naudojamų molekulių gamybą. O tikriausiai dar svarbiau, kad „galime pradėti kurti tokias molekules, kurių neįmanoma pagaminti jokiais kitais būdais,“ pažymėjo Grossas.

Ir jis tai jau atlieka. Chemikai daugiau nei 60 metų nesėkmingai bandė pagaminti egzotiškąją trianguleno molekulę, plokščią anglies atomų grupelę, primenančią mažą trikampį grafeno gabaliuką. Šiais metais Grossui su savo komanda pagaliau pavyko (žr. pav. viršuje), skenuojančiu tuneliniu mikroskopu iš prekursoriaus molekulės selektyviai iškrapščius porą vandenilio atomų.

Nors trianguleno elektroninės savybės įdomios, tiesioginio panaudojimo jis kol kas neturi. Bet jo sukūrimas gali turėti svarbias implikacijas visai chemijai.

„Po daugybės dešimtmečių atkaklių tyrimų, tikimybė rasti naujas svarbias reakcijas yra gan ribota,“ sako Diego Peña, Santiago de Compostela universiteto Ispanijoje chemikas, bendradarbiavęs su IBM komanda. Panašu, su atomine chirurgija pradėjome atrasti jas ir vėl.