來自新南威爾士大學(xué)悉尼分校的量子工程師在硅芯片中制造了人造原子，為量子計算機提供了更好的穩(wěn)定性。在表在《自然通訊》期刊上研究中，新南威爾士大學(xué)的量子計算研究人員，描述了他們是如何在硅“量子點”中創(chuàng)建人造原子。

“量子點”是量子電路中的一個微小空間，在這里電子被用作量子信息的基本單位量子比特，科學(xué)家教授安德魯·祖拉克解釋說：

與真正的原子不同，人造原子沒有原子核，但人造原子仍然有電子殼繞著設(shè)備的中心旋轉(zhuǎn)，而不是圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。用電子創(chuàng)造人造原子的想法并不新鮮，事實上，最早是在20世紀30年代從理論上提出的，然后在20世紀90年代進行了實驗演示（盡管不是在硅中）。新南威爾士大學(xué)澳大利亞國家制造設(shè)施的主任、ARC桂冠獲得者安德魯·祖拉克說：我們早在2013年就用硅制作了初步版本。

但最新研究真正讓我們興奮的是，擁有更多電子的人造原子比之前想象的要強大得多。這意味著人造原子可以可靠地用于量子計算機的計算。這一點很重要，因為僅僅基于一個電子的量子比特可能非常不可靠。研究團隊將創(chuàng)造的不同類型人造原子，比作一種量子比特的周期表，因為考慮到這項開創(chuàng)性工作開展時的2019年是國際周期表年，這樣做很合適。如果你回想起高中科學(xué)課，你可能還記得墻上掛著一張圖表。

上面按照元素有多少個電子的順序列出了所有已知元素，從一個電子的氫開始，兩個電子的氦，三個電子的鋰，依此類推。你甚至可能還記得，隨著每個原子變得更重，電子越來越多，它們就會組織成不同水平的軌道，即所謂的‘殼層’。事實證明，當在量子電路中創(chuàng)造人造原子時，也有組織良好且可預(yù)測的電子殼層，就像元素周期表中的天然原子一樣。

把這些點連起來

新南威爾士大學(xué)電氣工程學(xué)院的Dzurak教授和團隊在硅中配置了一個量子設(shè)備，以測試人造原子中電子的穩(wěn)定性。通過金屬表面的“柵”電極向硅施加電壓，以吸引硅中的多余電子形成量子點，這是一個直徑只有10納米左右的無限小空間。領(lǐng)導(dǎo)這一結(jié)果理論分析的薩萊瓦博士說：當慢慢增加電壓時，會一個接一個地吸收新的電子，在量子點中形成一個人造原子。

在一個真實的原子中，在中間有一個正電荷，也就是原子核，然后帶負電荷的電子在三維軌道上圍繞著它。在人造原子中，正電荷來自柵電極，而不是正核，柵極被氧化硅的絕緣勢壘與硅隔開，然后電子懸浮在它下面，每個電子都圍繞量子點的中心運行。但它們不是形成一個球體，而是扁平地排列在一個圓盤中。研究人員對當一個額外的電子，開始填充一個新的外殼時會發(fā)生什么很感興趣。

在元素周期表中，外層只有一個電子的元素包括氫和金屬鋰、鈉和鉀。當在量子點中創(chuàng)造出氫、鋰和鈉的等價物時，基本上能夠?qū)⑼鈿ど系哪莻€孤立電子用作量子比特。到目前為止，硅器件在原子層面的缺陷，已經(jīng)擾亂了量子位的行為方式，導(dǎo)致了不可靠的操作和錯誤。但看起來，內(nèi)層中的額外電子，就像量子點不完美表面上的‘引爆劑’，使事情變得平滑，并給外層的電子帶來了穩(wěn)定性。實現(xiàn)電子的穩(wěn)定和控制是硅基量子計算機成為現(xiàn)實的關(guān)鍵一步。

電子自旋

在經(jīng)典計算機使用由0或1表示“比特”信息的情況下，量子計算機中的量子比特，可以同時存儲0和1的值。這使得量子計算機能夠并行進行計算，而不是像傳統(tǒng)計算機那樣一個接一個地進行計算。然后，量子計算機的數(shù)據(jù)處理能力，會隨著可用量子比特的數(shù)量呈指數(shù)增長。研究用電子的自旋來編碼量子位的值。自旋是一種量子力學(xué)性質(zhì)，電子行為就像一塊微小的磁鐵，根據(jù)它旋轉(zhuǎn)北極的方式，它可以指向上或下，對應(yīng)于1或0。

當一個天然原子或人造原子中的電子，形成一個完整的殼層時，它們的兩極會以相反方向排列，因此系統(tǒng)的總自旋為零，這使得它們作為量子比特毫無用處。但當再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，現(xiàn)在就可以再次將其用作量子比特。新的研究表明，可以控制這些人造原子外殼中電子的自旋，從而給帶來可靠和穩(wěn)定的量子比特。

硅的優(yōu)勢

這真的很重要，因為這意味著現(xiàn)在可以使用不那么穩(wěn)定的量子比特了。一個電子是非常不穩(wěn)定的東西，然而，一個有5個電子或13個電子的人造原子要穩(wěn)定得多。2015年，該研究團隊是世界上第一個展示硅設(shè)備中兩個量子比特之間的量子邏輯團隊。并發(fā)表了基于CMOS技術(shù)的全尺寸量子計算機芯片架構(gòu)設(shè)計，這是制造所有現(xiàn)代計算機芯片所使用的相同技術(shù)。

通過使用硅CMOS技術(shù)，可以大大縮短量子計算機的開發(fā)時間，這些量子計算機需要數(shù)百萬個量子比特來解決具有全球意義的問題，比如設(shè)計新的藥物，或者設(shè)計新的化學(xué)催化劑來降低能源消耗。作為這一最新突破的延續(xù)，該小組將探索如何將化學(xué)鍵規(guī)則應(yīng)用于這些新的人造原子，以創(chuàng)造“人造分子”。這些將被用來創(chuàng)建實現(xiàn)大規(guī)模硅量子計算機，所需改進的多量子位邏輯門。

博科園｜研究/來自：新南威爾士大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-14053-w

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