矽「量子點」中的人造原子為量子計算創建穩定的量子位

研究人員在矽的「量子點」中創造了人造原子，矽是量子電路中的一個微小空間，其中電子被用作量子信息的基本單位qubit（或量子位）。藝術家的構想。

雪梨新南威爾斯大學的量子工程師在矽晶片中創造了人造原子，為量子計算提供了更高的穩定性。

在今天發表在《自然通訊》上的一篇論文中 ，新南威爾斯州量子計算研究人員描述了他們如何在矽「量子點」中創建人造原子，矽是量子電路中的一個微小空間，其中電子被用作量子位（或量子位），即電子的基本單位。量子信息。

Scientia教授安德魯·德祖拉克（Andrew Dzurak）解釋說，與真正的原子不同，人造原子沒有原子核，但是它仍然具有圍繞設備中心而不是原子核旋轉的電子殼。

「使用電子創建人造原子的想法並不是什麼新鮮事，實際上，它是在1930年代首先在理論上提出的，然後在1990年代通過實驗證明了這一點-儘管不是在矽中。我們最早在2013年用矽製作了它的基本版本。」 Dzurak教授說，他是ARC獲獎者，同時還是製造量子點器件的UNSW澳大利亞國家製造工廠的負責人。

「但是真正令我們興奮的是最新研究表明，具有更高電子數量的人工原子比以前認為的可能具有更強健的量子位，這意味著它們可以可靠地用於量子計算機中的計算。這很重要，因為僅基於一個電子的量子位可能非常不可靠。」

化學101

Dzurak教授將他的團隊創建的不同類型的人造原子比作一種量子比特周期表，他說這很恰當，因為2019年（開展這項開創性的工作）是國際周期表年。

「如果您回想起高中科學課，您可能會記得牆上掛著一張塵土飛揚的圖表，其中按照所有電子的順序列出了所有已知元素，從氫帶一個電子，氦帶兩個電子，鋰開始與三個等等。

「您甚至可能還記得，隨著每個原子變得越來越重，電子越來越多，它們會組織成不同水平的軌道，稱為&39;。

「事實證明，當我們在量子電路中創建人工原子時，它們也具有組織良好且可預測的電子殼，就像元素周期表中的自然原子一樣。」

將點連接

Dzurak教授及其團隊來自新南威爾斯大學電氣工程學院，包括博士學位。該研究的主要作者，學生羅斯·萊昂（Ross Leon）和安德烈·薩拉瓦（Andre Saraiva）博士-在矽中配置了一種量子裝置，以測試人造原子中電子的穩定性。

他們通過金屬表面的「柵」電極向矽施加電壓，以吸引多餘的電子從矽中形成量子點，而量子點是直徑僅約10納米的無限小空間。

薩拉瓦瓦博士說：「隨著電壓的緩慢升高，我們將一個接一個地吸取新的電子，從而在量子點中形成一個人造原子。」

「在一個真實的原子中，您的中間是一個正電荷，即原子核，然後帶負電荷的電子在三維軌道周圍被保持。在我們的情況下，正電荷而不是正原子核來自柵電極，柵電極通過氧化矽的絕緣勢壘與矽隔開，然後電子在其下方懸浮，每個電子圍繞量子點中心旋轉。但是它們並沒有形成球體，而是被平整地排列在圓盤中。」

負責實驗的萊昂先生說，研究人員對當多餘的電子開始填充新的外殼時發生的事情感興趣。在元素周期表中，其外殼中僅有一個電子的元素包括氫和金屬鋰，鈉和鉀。

羅斯說：「當我們在量子點中產生氫，鋰和鈉的等價物時，我們基本上能夠將外殼上的那個孤電子用作量子比特。」

「到目前為止，原子級矽器件的缺陷已經破壞了量子比特的行為方式，導致不可靠的操作和錯誤。」 但是，似乎內殼中的多餘電子在量子點不完善的表面上就像一個「引物」，使物質變得平滑，並為外殼中的電子提供了穩定性。」

觀看旋轉

實現電子的穩定性和控制性是實現基於矽的量子計算機的關鍵一步。在經典計算機使用由0或1表示的信息「位」的情況下，量子計算機中的量子位可以同時存儲0和1的值。這使量子計算機能夠並行執行計算，而不是像傳統計算機那樣一個接一個地進行計算。量子計算機的數據處理能力隨可用量子比特的數量呈指數增長。

Dzurak教授解釋說，這是電子的自旋，用於編碼量子比特的值。

「自旋是一種量子力學性質。電子的作用就像一個微小的磁鐵，並且取決於其旋轉北極的方式可以向上或向下指向，對應於1或0。

「當一個真實原子或我們的人造原子中的電子形成一個完整的殼時，它們將其極向相反的方向排列，從而使系統的總自旋為零，從而使它們無法用作量子位。但是，當我們再添加一個電子來啟動一個新的殼時，這個多餘的電子具有一個自旋，現在可以再次用作量子位。

「我們的新工作表明，我們可以控制這些人造原子外殼中的電子自旋，從而為我們提供可靠且穩定的量子位。

「這真的很重要，因為這意味著我們現在可以使用不那麼脆弱的量子比特了。一個電子是非常脆弱的東西。但是，具有5個電子或13個電子的人工原子要堅固得多。」

矽的優勢

Dzurak教授的小組於2015年成為世界上第一個演示矽器件中兩個量子位之間的量子邏輯的小組，還發表了基於CMOS技術的全尺寸量子計算機晶片架構設計，該技術與製造技術相同。所有現代計算機晶片。

「通過使用矽CMOS技術，我們可以以數百萬個量子比特顯著地減少量子計算機的開發時間，而量子比特則是解決具有全球意義的問題所需要的，例如設計新藥或減少能耗的新化學催化劑」，杜拉克教授說。

在這一最新突破的延續中，該小組將探索化學鍵合規則如何應用於這些新的人造原子，從而創造出「人造分子」。這些將用於創建實現大規模矽量子計算機所需的改進的多量子位邏輯門。