來自新南威爾斯大學雪梨分校的量子工程師在矽晶片中製造了人造原子，為量子計算機提供了更好的穩定性。在表在《自然通訊》期刊上研究中，新南威爾斯大學的量子計算研究人員，描述了他們是如何在矽「量子點」中創建人造原子。「量子點」是量子電路中的一個微小空間，在這裡電子被用作量子信息的基本單位量子比特，科學家教授安德魯·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備的中心旋轉，而不是圍繞原子核旋轉。用電子創造人造原子的想法並不新鮮，事實上，最早是在20世紀30年代從理論上提出的，然後在20世紀90年代進行了實驗演示（儘管不是在矽中）。新南威爾斯大學澳大利亞國家製造設施的主任、ARC桂冠獲得者安德魯·祖拉克說：我們早在2013年就用矽製作了初步版本。

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像的要強大得多。這意味著人造原子可以可靠地用於量子計算機的計算。這一點很重要，因為僅僅基於一個電子的量子比特可能非常不可靠。研究團隊將創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課，你可能還記得牆上掛著一張圖表。

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，當在量子電路中創造人造原子時，也有組織良好且可預測的電子殼層，就像元素周期表中的天然原子一樣。

把這些點連起來

新南威爾斯大學電氣工程學院的Dzurak教授和團隊在矽中配置了一個量子設備，以測試人造原子中電子的穩定性。通過金屬表面的「柵」電極向矽施加電壓，以吸引矽中的多餘電子形成量子點，這是一個直徑只有10納米左右的無限小空間。領導這一結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，然後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，柵極被氧化矽的絕緣勢壘與矽隔開，然後電子懸浮在它下面，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生什麼很感興趣。

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。當在量子點中創造出氫、鋰和鈉的等價物時，基本上能夠將外殼上的那個孤立電子用作量子比特。到目前為止，矽器件在原子層面的缺陷，已經擾亂了量子位的行為方式，導致了不可靠的操作和錯誤。但看起來，內層中的額外電子，就像量子點不完美表面上的『引爆劑』，使事情變得平滑，並給外層的電子帶來了穩定性。實現電子的穩定和控制是矽基量子計算機成為現實的關鍵一步。

電子自旋

在經典計算機使用由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。這使的量子計算機能夠並行進行計算，而不是像傳統計算機那樣一個接一個地進行計算。然後，量子計算機的數據處理能力，會隨著可用量子比特的數量呈指數增長。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性質，電子行為就像一塊微小的磁鐵，根據它旋轉北極的方式，它可以指向上或下，對應於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定的量子比特。

矽的優勢

這真的很重要，因為這意味著現在可以使用不那麼穩定的量子比特了。一個電子是非常不穩定的東西，然而，一個有5個電子或13個電子的人造原子要穩定得多。2015年，該研究團隊是世界上第一個展示矽設備中兩個量子比特之間的量子邏輯團隊。並發表了基於CMOS技術的全尺寸量子計算機晶片架構設計，這是製造所有現代計算機晶片所使用的相同技術。

通過使用矽CMOS技術，可以大大縮短量子計算機的開發時間，這些量子計算機需要數百萬個量子比特來解決具有全球意義的問題，比如設計新的藥物，或者設計新的化學催化劑來降低能源消耗。作為這一最新突破的延續，該小組將探索如何將化學鍵規則應用於這些新的人造原子，以創造「人造分子」。這些將被用來創建實現大規模矽量子計算機，所需改進的多量子位邏輯門。

博科園｜研究/來自：新南威爾斯大學

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-14053-w

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