澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）的量子工程師在硅芯片中創造了人造原子，從而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，新南威爾士的量子計算研究人員描述了他們如何在硅“量子點”中創建人造原子，這是量子電路中的一個微小空間，其中電子被用作量子比特（qubits或quantum bits），即量子信息的基本單位。
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周圍旋轉的電子殼。
Scientia教授是特殊的教授類別，用於表彰傑出的研究成果。該獎項為期六年，是基於對過去研究的傑出成就和正在進行的研究潛力的認可。在新南威爾士大學，任何時候任職的Scientia教授人數都受到限制，以保持這種在國際研究中的傑出地位。
“使用電子創建人造原子的想法並不是什麼新鮮事物，實際上，它是在1930年代首次在理論上提出，然後在1990年代進行了實驗證明 - 儘管不是在硅中。我們在2013年首先在硅中製作了它的基本版本。”德祖拉克教授說，他是ARC Laureate Fellow，同時還是製造量子點設備的UNSW澳大利亞國家制造設施的負責人。
ARC Laureate Fellow 澳大利亞研究委員會（Australian Research Council, ARC）桂冠院士
“但是最新的研究真正使我們興奮的是，具有更高電子數量的人造原子比以前認為的具有更健壯的量子比特，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，因為量子比特僅基於一個電子可能是非常不可靠的。”
化學
德祖拉克教授將他的團隊創造的不同類型的人造原子比作一種量子比特週期表，他說，2019年（開展這項開創性工作）是量子比特週期表元年，這很合適。
“如果回想一下高中的科學課，您可能會記得牆上掛著一張塵土飛揚的圖表，上面按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，鋰帶三個等等。
“您甚至可能還記得，隨著原子變得越來越重，電子越來越多，它們會組織成不同水平的軌道，稱為'殼'。”
“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，就像元素週期表中的自然原子一樣。”
將點連接
德祖拉克教授及其團隊來自新南威爾士大學電氣工程學院，包括博士研究生、該研究的主要作者羅斯·萊昂（Ross Leon）和安德烈·薩拉瓦（Andre Saraiva）博士，他們在硅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”電極向硅施加電壓，以吸引多餘的電子從硅中形成量子點，而量子點是直徑僅10納米的小空間。
薩拉瓦博士說：“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。”
“在一個真正的原子中，您的中間原子核為正電荷，然後帶負電的電子在三個三維軌道中圍繞著它。在我們的情況下，正電荷不是原子核而是正原子柵電極通過氧化硅的絕緣阻擋層與硅隔離，然後電子懸浮在其下方，每個電子圍繞量子點的中心旋轉，但它們不是形成球體，而是排列成圓盤狀。”
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。在元素週期表中，外殼中只有一個電子的元素包括氫和金屬鋰，鈉和鉀。
萊昂說：“當我們在量子點中產生氫、鋰和鈉的等效物時，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，原子級硅器件的缺陷已經破壞了量子比特的行為，導致了不可靠的操作和錯誤。但是，內殼中多餘的電子似乎在不完美量子點表面上起著'穩固'的作用，使物質變得光滑，並使外殼中的電子穩定。”
電子自旋
實現電子的穩定性和控制性是實現基於硅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。這使得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位的數量呈指數增加。
德祖拉克教授解釋說，這是電子的自旋，用於編碼量子位的值。
“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，根據其自旋的方式，其北極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，它們將它們的極性按相反的方向排列，從而使系統的總自旋為零，從而使它們不能用作量子比特。但是當我們添加一個額外的電子開始一個新的殼，這個多餘的電子具有自旋，我們現在可以將其用作量子位。
“我們的新工作表明，我們可以控制這些人造原子外殼中電子的自旋，從而為我們提供可靠而穩定的量子位。
“這真的很重要，因為這意味著我們現在可以使用更不易碎的量子位來工作。一個電子是非常易碎的東西。但是，具有5個電子或13個電子的人工原子要堅固得多。”
硅的優勢
德祖拉克教授的小組於2015年成為世界上第一個演示硅器件中兩個量子位之間的量子邏輯的團隊，並且還發布了基於CMOS技術的全尺寸量子計算機芯片架構設計，該技術與製造技術相同。所有現代計算機芯片。
“通過使用硅CMOS技術，我們可以以數百萬個量子位顯著減少量子計算機的開發時間，這將可以解決具有全球意義的問題，例如設計新藥或降低能耗的新化學催化劑。”，德祖拉克教授說。
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硅量子計算機所需的改進的多量子位邏輯門。
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