硅“量子点”中的人造原子为量子计算产生稳定的贵族码

研究人员在硅'量子点中创建人工原子，在量子电路中的微小空间，其中电子用作QUBITS（或量子位），量子信息的基本单元。艺术家的概念。

UNSW悉尼的量子工程师在硅芯片中创造了人工原子，为量子计算提供了改进的稳定性。

在今天发表的纸质中，UNSW量子计算研究人员描述了它们如何在硅'量子点中创建人工原子，在量子电路中的微小空间，其中电子用作QUBITS（或量子位），Quantum的基本单元信息。

Scientia教授Andrew Dzurak解释说，与真正的原子不同，人工原子没有核，但它仍然具有围绕装置的中心嗖嗖的电子壳，而不是在原子的核周围。

“使用电子创建人工原子的想法并不是新的，实际上，它首先在20世纪30年代理论上提出，然后在20世纪90年代实验证明 - 虽然不在硅中。我们在2013年首先在硅的硅中造成了一系列型号，“Dzurak教授，他是Arc Laureate Ferlow，也是UNSW的澳大利亚国家制造设施的总监，其中量子点装置是制造的。

“但是，我们最新的研究真正激发了我们最新研究的是，具有较高数量的电子的人工原子比以前认为可能的更强大的贵族群体，这意味着它们可以可靠地用于计算量子计算机中的计算。这是显着的，因为基于一个电子的Qubits可以非常不可靠。“

化学101.

Dzurak教授比较他的团队为Quantum Bits的一系列周期表创造了不同类型的人工原子，他说，他说的是2019年 - 在进行这种接地工作时 - 是定期表的国际年。

“如果你认为回到你的高中科课程，你可能记得悬挂在墙上的尘土飞扬的图表，按照他们所拥有的许多电子的顺序列出所有已知元素的墙壁，从氢气与一个电子，氦气一起开始，其中两个，锂三等等。

“你甚至可以记住，随着每个原子越来越重，越来越多的电子，他们组织成不同的轨道等级，称为”贝壳“。

“事实证明，当我们在量子电路中创造人工原子时，它们也具有很好的组织和可预测的电子壳，就像周期表中的天然原子一样。”

将点连接

Dzurak教授和他的团队从UNSW的电气工程学院 - 包括博士。学生罗斯莱昂也是在研究中引导作者，而安德烈·萨拉韦博士 - 在硅中康普特的量子装置，以测试人工原子中电子的稳定性。

它们通过金属表面“栅极”电极向硅施加电压，以吸引来自硅的储备，以形成量子点，直径约为10纳米的无限小空间。

“随着我们慢慢增加电压，我们将在陆续上绘制新的电子，在我们的量子点形成一个人工原子，”Saraiva博士说，他们领导了结果的理论分析。

“在真正的原子中，你在中间有正电荷，是核，然后将带负电的电子保持在三维轨道周围。在我们的情况下，而不是正核，正电荷来自栅电极通过氧化硅的绝缘屏障与硅分离，然后将电子悬挂在其下方，每个绕在量子点的中心绕。但而不是形成一个球体，它们在盘中排列平坦。“

莱昂先生，他遇到了实验，说研究人员对在额外的电子开始填充新外壳时感兴趣。在周期表中，其外壳中仅具有一电子的元件包括氢和金属锂，钠和钾。

“当我们在量子点中创造相当于氢气，锂和钠时，我们基本上能够在外壳上使用该孤立电子作为一个量子位，”Ross说。

“到目前为止，原子水平的硅设备中的缺陷会破坏Qubits的行为方式，导致不可靠的操作和错误。但是，内壳中的额外电子似乎在量子点的不完美表面上的“底漆”，使得出来并使外壳中的电子稳定性。“

看旋转

实现电子的稳定性和控制是朝向硅的量子计算机成为现实的关键步骤。在经典计算机使用由0或a 1表示的信息的信息的位置，量子计算机中的Qubits可以同时存储0和1的值。这使得量子计算机能够并行执行计算，而不是一个之后作为传统计算机来执行计算。然后，量子计算机的数据处理能力随着它可用的Qubits的数量呈指数级增大。

我们用来编码量子位的值的电子旋转，解释了Dzurak教授。

“旋转是量子力学性质。电子像微小的磁铁一样起作用，并且取决于其旋转其北极可以向上或向下，对应于1或0的方式。

“当真实原子或我们的人工原子中的电子形成一个完整的壳时，它们在相反方向上对齐它们的极点，使得系统的总旋转为零，使它们毫无用于Qubit。但是，当我们添加一个电子来开始新的外壳时，这种额外的电子有一个旋转，我们现在可以再次用作QUBET。

“我们的新工作表明，我们可以控制这些人工原子的外壳中的电子旋转，以使我们可靠且稳定的额度。

“这真的很重要，因为它意味着我们现在可以使用更少的脆弱额度。一件电子是一个非常脆弱的东西。然而，具有5个电子或13个电子的人造原子更加坚固。“

硅优势

Dzurak教授的集团是世界上第一个在2015年硅设备中的两个Qubits之间展示量子逻辑，并且还发表了基于CMOS技术的全尺寸量子计算机芯片架构的设计，这是与用于制造的相同技术所有现代电脑芯片。

“通过使用硅CMOS技术，我们可以显着降低量子计算机的开发时间，以解决全球意义的问题，例如新药物的设计，或新的化学催化剂以降低能源消耗的数百万夸张”， Dzurak教授说。

在这种最新突破的延续中，本集团将探讨化学粘合规则适用于这些新的人工原子，以创造“人造分子”。这些将用于创建实现大规模硅量子计算机所需的改进的多态比特逻辑门。

参考：“硅量子点的S-，P-，D-和F电子的相干旋转控制”，Ch阳，JCC Hwang，J.CoMirand Lemyre，T.Tanttu，W.Huang，KW Chan，Ky Tan，Fe Hudson，Km Itoh，A. Morello，A. Laucht，M. Pioro-Ladrière，A. Saraiva和As Dzurak，2月11日2020年2月11日，Nature Communications.doi：
10.1038 / S41467-019-14053-W

研究合作和资金

本文的其他作者包括DRS。Henry Yang，Jason Hwang，Tuoomo Tanttu，Wister Huang，Kok-Wai Chan和Fay Hudson，来自Dzurak教授，以及长期合作者Arne Laucht博士和andrea Morello来自UNSW的教授。来自Aalto University的芬兰的Kuan-Yen博士协助该团队，而日本Keio大学的Kohei Itoh教授提供丰富的硅-28薄片，从中进行了浓缩的硅-28晶圆。QUBBit器件加入了纳米级磁体，以帮助实现QUBBit操作，这些磁控位运行均采用Michel Pioro-Ladrière教授在加拿大UniversitédeSherbrooke领导的团队的支持，包括他的博士学生Julien Camirand Lemyre。

该项目由澳大利亚研究委员会，美国陆军研究办公室，硅量子计算专有有限公司和澳大利亚国家制造设施的支持资助，与Saraiva和Yang博士承认来自硅量子计算的支持。加拿大团队获得了加拿大第一科研卓越基金和加拿大国家科学工程研究委员会的支持。