重磅！成功将“人造原子”量子位，稳定的用在量子计算机上！

来自新南威尔士大学悉尼分校的量子工程师在硅芯片中制造了人造原子，为量子计算机提供了更好的稳定性。在表在《自然通讯》期刊上研究中，新南威尔士大学的量子计算研究人员，描述了他们是如何在硅“量子点”中创建人造原子。“量子点”是量子电路中的一个微小空间，在这里电子被用作量子信息的基本单位量子比特，科学家教授安德鲁·祖拉克解释说：

与真正的原子不同，人造原子没有原子核，但人造原子仍然有电子壳绕着设备的中心旋转，而不是围绕原子核旋转。用电子创造人造原子的想法并不新鲜，事实上，最早是在20世纪30年代从理论上提出的，然后在20世纪90年代进行了实验演示（尽管不是在硅中）。新南威尔士大学澳大利亚国家制造设施的主任、ARC桂冠获得者安德鲁·祖拉克说：我们早在2013年就用硅制作了初步版本。

但最新研究真正让我们兴奋的是，拥有更多电子的人造原子比之前想象的要强大得多。这意味着人造原子可以可靠地用于量子计算机的计算。这一点很重要，因为仅仅基于一个电子的量子比特可能非常不可靠。研究团队将创造的不同类型人造原子，比作一种量子比特的周期表，因为考虑到这项开创性工作开展时的2019年是国际周期表年，这样做很合适。如果你回想起高中科学课，你可能还记得墙上挂着一张图表。

上面按照元素有多少个电子的顺序列出了所有已知元素，从一个电子的氢开始，两个电子的氦，三个电子的锂，依此类推。你甚至可能还记得，随着每个原子变得更重，电子越来越多，它们就会组织成不同水平的轨道，即所谓的‘壳层’。事实证明，当在量子电路中创造人造原子时，也有组织良好且可预测的电子壳层，就像元素周期表中的天然原子一样。

把这些点连起来

新南威尔士大学电气工程学院的Dzurak教授和团队在硅中配置了一个量子设备，以测试人造原子中电子的稳定性。通过金属表面的“栅”电极向硅施加电压，以吸引硅中的多余电子形成量子点，这是一个直径只有10纳米左右的无限小空间。领导这一结果理论分析的萨莱瓦博士说：当慢慢增加电压时，会一个接一个地吸收新的电子，在量子点中形成一个人造原子。

在一个真实的原子中，在中间有一个正电荷，也就是原子核，然后带负电荷的电子在三维轨道上围绕着它。在人造原子中，正电荷来自栅电极，而不是正核，栅极被氧化硅的绝缘势垒与硅隔开，然后电子悬浮在它下面，每个电子都围绕量子点的中心运行。但它们不是形成一个球体，而是扁平地排列在一个圆盘中。研究人员对当一个额外的电子，开始填充一个新的外壳时会发生什么很感兴趣。

在元素周期表中，外层只有一个电子的元素包括氢和金属锂、钠和钾。当在量子点中创造出氢、锂和钠的等价物时，基本上能够将外壳上的那个孤立电子用作量子比特。到目前为止，硅器件在原子层面的缺陷，已经扰乱了量子位的行为方式，导致了不可靠的操作和错误。但看起来，内层中的额外电子，就像量子点不完美表面上的‘引爆剂’，使事情变得平滑，并给外层的电子带来了稳定性。实现电子的稳定和控制是硅基量子计算机成为现实的关键一步。

电子自旋

在经典计算机使用由0或1表示“比特”信息的情况下，量子计算机中的量子比特，可以同时存储0和1的值。这使得量子计算机能够并行进行计算，而不是像传统计算机那样一个接一个地进行计算。然后，量子计算机的数据处理能力，会随着可用量子比特的数量呈指数增长。研究用电子的自旋来编码量子位的值。自旋是一种量子力学性质，电子行为就像一块微小的磁铁，根据它旋转北极的方式，它可以指向上或下，对应于1或0。

当一个天然原子或人造原子中的电子，形成一个完整的壳层时，它们的两极会以相反方向排列，因此系统的总自旋为零，这使得它们作为量子比特毫无用处。但当再增加一个电子来开始一个新的壳层时，这个额外的电子就有了一个自旋，现在就可以再次将其用作量子比特。新的研究表明，可以控制这些人造原子外壳中电子的自旋，从而给带来可靠和稳定的量子比特。

硅的优势

这真的很重要，因为这意味着现在可以使用不那么稳定的量子比特了。一个电子是非常不稳定的东西，然而，一个有5个电子或13个电子的人造原子要稳定得多。2015年，该研究团队是世界上第一个展示硅设备中两个量子比特之间的量子逻辑团队。并发表了基于CMOS技术的全尺寸量子计算机芯片架构设计，这是制造所有现代计算机芯片所使用的相同技术。

通过使用硅CMOS技术，可以大大缩短量子计算机的开发时间，这些量子计算机需要数百万个量子比特来解决具有全球意义的问题，比如设计新的药物，或者设计新的化学催化剂来降低能源消耗。作为这一最新突破的延续，该小组将探索如何将化学键规则应用于这些新的人造原子，以创造“人造分子”。这些将被用来创建实现大规模硅量子计算机，所需改进的多量子位逻辑门。

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博科园｜研究/来自：新南威尔士大学

参考期刊《自然通讯》

DOI: 10.1038/s41467-019-14053-w

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