硅芯片上新创造的人造原子可能成为新的基础。
澳大利亚的工程师找到了一种使这些人造原子更加稳定的方法，从而可以产生更一致的量子比特，即量子系统中信息的基本单位。
该研究建立在团队之前的工作，其中他们在硅芯片上产生了第一个量子位，它可以以超过 99% 的准确度处理信息。 现在，他们找到了一种方法来最大限度地减少由硅缺陷引起的错误率。
“我们的最新研究真正让我们兴奋的是，具有更多电子的人造原子比以前想象的更强大，这意味着它们可以可靠地用于计算,”量子工程师 Andrew Dzurak 说道澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的教授。
“这很重要，因为仅基于一个电子的量子位可能非常不可靠。”
在真实的原子中，电子围绕原子核在三维空间中呼啸而过。 这些三维轨道被称为电子壳层，并且元素可以具有不同数量的电子。
人造原子（也称为量子点）是纳米级半导体晶体，具有可以捕获电子的空间，并限制它们在三个维度上的运动，并通过电场将它们固定在适当的位置。
该团队使用金属表面栅电极向硅施加电压，将多余的电子从硅吸引到量子点中来创建原子。
“在真正的原子中，中间有一个正电荷，即原子核，然后带负电的电子在三维轨道上围绕它运行，”固体物理学家安德烈·萨莱瓦 (Andre Saraiva) 解释道新南威尔士大学。
“在我们的例子中，正电荷不是来自正核，而是来自栅电极，栅电极通过氧化硅绝缘势垒与硅隔开，然后电子悬浮在其下方，每个电子都围绕量子中心运行但它们并不是形成一个球体，而是扁平地排列成一个圆盘。”
氢、锂和钠是下列元素电子壳层中只能有一个电子。 这是用于量子计算的模型。 当团队创造出相当于氢、锂和钠的人造原子时，他们可以使用该单个电子作为量子位，即二进制位的量子版本。
然而，与以两种状态（1 或 0）之一处理信息的二进制位不同，量子位可以根据其自旋状态同时处于 1、0 或两者的状态（一种称为叠加的状态）。 这意味着它们可以执行并行计算，而不是连续计算，从而使它们成为更强大的计算工具。
这是该团队之前演示过的，但该系统并不完美。
“到目前为止，硅器件在原子水平上的缺陷已经扰乱了量子位的行为方式，导致不可靠的操作和错误，”新南威尔士大学量子工程师罗斯·莱昂说。
因此，研究小组调高了栅电极上的电压，从而吸引了更多的电子。 这些电子反过来模仿具有多个电子壳层的较重原子。 在人造原子中，就像在真实原子中一样，这些壳层是可预测的并且组织良好。
“当真实原子或人造原子中的电子形成完整的壳层时，它们会将极点朝相反方向排列，从而使系统的总自旋为零，从而使它们作为量子位毫无用处。但是当我们再添加一个电子时为了开始一个新的壳层，这个额外的电子有一个自旋，我们现在可以再次将其用作量子位，”祖拉克说。
这种新装置似乎还可以补偿硅芯片中原子级缺陷带来的误差。
“我们的新工作表明，我们可以控制这些人造原子外壳中电子的自旋，从而为我们提供可靠且稳定的量子位，”祖拉克说。
“这非常重要，因为这意味着我们现在可以使用不那么脆弱的量子位。一个电子是非常脆弱的东西。然而，具有 5 个电子或 13 个电子的人造原子要坚固得多。”
该研究发表于自然通讯。
