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使量子計算成為現實的主要障礙之一是穩定性問題。只要一丁點的環境幹擾就能影響量子態，從而造成信息的災難性損失。在可使用的量子計算機和量子網絡的發展中，實現電子的穩定和有效控制是至關重要的。
在《自然通訊》上發表的一篇論文中，來自雪梨新南威爾斯大學的量子工程師詳細介紹了在矽「量子點」中創建人造原子的方法，該方法可以提高穩定性。在這些微小的空間內，電子被用作量子位（量子信息的基本單位）。量子位與經典計算中的位在量子計算上等效，但是經典計算機以二進位「 0」或「 1」形式存儲信息，而量子位可以同時存儲值0和1。
最著名的類比是薛丁格的貓思維實驗，在這個實驗中，倒黴的喵星人被置於死與活的疊加狀態。這導致可以同時進行而不是連續進行的計算數量大幅增加。
由於疊加現象，量子計算機能夠同時進行更多的計算人造原子中的電子圍繞著設備的中心嗡嗡作響，很像傳統的原子，但其中心因沒有原子核而有所區別。「創建人工原子使用電子的想法並不新鮮，事實上，在1930年代首先提出這一想法，在90年代才通過實驗證明。早在2013年，科學家就在矽材料上首次製造出了量子比特的雛形，但真正讓人興奮的是，最新的研究發現，擁有更多電子的人造原子，其量子位元比之前認為的要強大得多。
更多的電子意味著在量子計算機中進行計算時更可靠。「這很重要，因為僅基於一個電子的量子位可能非常不可靠。
量子比特的周期表
為了考慮電子在量子計算和信息存儲方面的最佳和最有效的排列，Dzurak和他的團隊為量子位構建了一個基本的「元素周期表」。
如果回想起高中化學課，您可能還記得牆上掛著一張塵土飛揚的元素周期表，上列出所有已知元素的電子數，從氫有1個，氦有2個，鋰有3個等等。你甚至可能還記得，隨著每個原子越來越重，電子越來越多，它們被分到不同的軌道上，被稱為『能級』。
事實證明，當我們在量子電路中創造出人工原子時，它們也擁有穩定良好、可預測的電子層，就像元素周期表中的天然原子一樣。
為了測試人工原子中電子的穩定性，研究小組通過金屬表面的「柵極」對矽施加了電壓。這吸引了矽的多餘電子形成量子點——一個直徑約為10納米的無窮小空間。「當我們緩慢地增加電壓時，我們會吸引一個又一個的新電子，在我們的量子點上形成一個人造原子，」安德烈·薩萊瓦博士解釋道。在真實的原子中，正電荷在原子核的中間，然後帶負電荷的電子在三維軌道中圍繞著它。
在我們的例子中，正電荷不是來自帶正電的原子核，而是來自柵電極，柵電極被氧化矽的絕緣屏障從矽中分離出來，然後電子懸浮在柵電極下，每個電子都繞著量子點的中心旋轉。
結果，電子不是形成一個球體，而是排列成一個扁平的圓盤形圖案。
價電子是位於外殼層的電子，它決定了元素的化學鍵合過程研究人員想知道當一個額外的電子被迫進入一個新的外殼時會發生什麼。在元素周期表中，最外層只有一個電子的自然元素是氫(H)、鋰(Li)和鈉(Na)，它們被稱為價電子。
「當我們在量子點中創造出氫、鋰和鈉的等價物時，我們基本上可以利用外層的孤電子作為量子位元，」該論文的第一作者羅斯利昂表示。「到目前為止，原子層面上的矽器件的缺陷已經擾亂了量子位元的行為方式，導致了不可靠的操作和錯誤。
電子存儲信息作為量子比特都是關於控制粒子的量子力學屬性被稱為自旋：「一個電子就像一個小磁鐵，這取決於它的北極可以旋轉點向上或向下，對應於一個1或者0。
當一個真正的原子或人造原子中的電子形成一個完整的殼層時，它們將它們的極向相反的方向排列，因此系統的總自旋為零，使得它們作為一個量子位毫無用處。但當我們增加一個電子來開始一個新的殼層時，這個額外的電子就有了一個自旋，我們現在又可以把它用作量子位元了。
該團隊的研究表明，人工原子中這些價電子的自旋可以被控制，從而為量子信息的存儲提供可靠和穩定的量子位。電子越多越好。
「我們的新研究表明，我們可以控制這些人造原子外層電子的自旋，從而得到可靠而穩定的量子位，」祖拉克說。「這真的很重要，因為這意味著我們現在可以用更少的脆弱量子位來工作。一個電子是非常脆弱的。然而，一個擁有5個或13個電子的人造原子要強大得多。」
該團隊現在將擴展他們的研究，通過研究元素擁有的價電子數決定的化學鍵的規則如何影響它們的人工原子。這些知識可以幫助團隊構建人工分子，然後可以用來創建多量子位邏輯門。這樣的裝置將代表著在發展大型矽基量子計算機的道路上邁出的重要一步。