人工原子为量子计算创造稳定的量子位

时间:2020-02-16 21:32 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

人工原子为量子计算创造稳定的量子位

来自悉尼新南威尔士大学的量子工程师在硅芯片中创造了人工原子,为量子计算提供了更好的稳定性。

新南威尔士大学的量子计算研究人员在《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中描述了他们如何在硅“量子点”中创造人工原子。硅“量子点”是量子电路中的一个微小空间,电子被用作量子位(或量子位),量子位是量子信息的基本单位。

科学家Andrew Dzurak教授解释说,与真实的原子不同,人造原子没有原子核,但它仍然有电子壳层围绕设备中心呼啸而过,而不是围绕原子核。

“利用电子制造人工原子的想法并不新鲜,事实上,这一想法在20世纪30年代首先在理论上提出,然后在20世纪90年代得到实验证明——尽管不是在硅上。”早在2013年,我们就在硅材料上制造了一个雏形。”Dzurak教授说,他是ARC的荣誉研究员,同时也是新南威尔士大学澳大利亚国家制造设施的主任,量子点设备就是在新南威尔士大学制造的。

“但真正让我们兴奋的是,我们最新的研究发现,拥有更多电子的人造原子,其量子位元的强度比之前认为的要大得多,这意味着它们可以可靠地用于量子计算机的计算。”这很重要,因为仅仅基于一个电子的量子位可能非常不可靠。”

化学101

祖拉克教授将他的团队创造的不同类型的人工原子比作一种量子比特的元素周期表,他说,鉴于2019年是国际元素周期表年,这一开创性的工作是恰当的。

“如果你回想一下你的高中科学课,你可能会记得墙上挂着一张布满灰尘的图表,上面列出了所有已知的元素,按照它们拥有多少电子的顺序排列,从氢有一个电子开始,氦有两个,锂有三个,等等。

“你甚至可能还记得,随着每个原子越来越重,电子越来越多,它们被组织到不同的轨道上,被称为‘壳层’。

“事实证明,当我们在量子电路中创造出人工原子时,它们也拥有组织良好、可预测的电子层,就像元素周期表中的天然原子一样。”

连接这些点

来自新南威尔士大学电气工程学院的Dzurak教授和他的团队——包括博士生Ross Leon(他也是这项研究的主要作者)和Andre saraiva博士——在硅中配置了一个量子设备来测试人工原子中电子的稳定性。

他们通过一个金属表面的“栅极”电极给硅施加电压,以从硅中吸引多余的电子来形成量子点,这是一个直径只有10纳米左右的极小空间。

“当我们缓慢地增加电压时,我们会一个接一个地吸收新的电子,在我们的量子点上形成一个人工原子,”负责对结果进行理论分析的萨莱瓦博士说。

“在真实的原子中,正电荷在原子核的中间,然后带负电荷的电子在三维轨道中围绕着它。在我们的例子中,正电荷不是来自正电核,而是来自栅电极,栅电极被氧化硅的绝缘屏障从硅中分离出来,然后电子悬浮在栅电极下,每个电子都绕着量子点的中心旋转。但它们不是形成一个球体,而是平展地排列在一个圆盘里。”

利昂先生主持了这个实验,他说当一个额外的电子开始填充一个新的外壳时会发生什么,研究人员对此很感兴趣。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。

“当我们在量子点中创造出氢、锂和钠的等价物时,我们基本上可以利用外层的孤电子作为量子位元,”罗斯说。

“到目前为止,原子层面上的硅器件的缺陷已经扰乱了量子位元的行为方式,导致了不可靠的操作和错误。但似乎内壳层中多余的电子在量子点不完美的表面起着‘引物’的作用,使事情变得平滑,并给予外层电子稳定性。”

看自旋

实现电子的稳定和控制是实现基于硅的量子计算机的关键一步。当传统计算机使用由0或1表示的“位”信息时,量子计算机中的量子位可以同时存储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。量子计算机的数据处理能力会随着可用量子位的数量呈指数增长。

我们用电子的自旋来编码量子位元的值,祖拉克教授解释说。

“自旋是一种量子力学性质。电子就像一个小磁铁,根据它旋转的方式,它的北极可以向上或向下,对应于1或0。

“当一个真正的原子或人造原子中的电子形成一个完整的壳层时,它们将它们的极向相反的方向排列,因此系统的总自旋为零,使得它们作为一个量子位毫无用处。”但是当我们增加一个电子来开始一个新的壳层时,这个额外的电子有一个自旋,我们现在可以再次用它作为量子位。

“我们的新研究表明,我们可以控制这些人造原子外层电子的自旋,从而获得可靠而稳定的量子位。

“这真的很重要,因为这意味着我们现在可以用更少的脆弱量子位来工作。一个电子是非常脆弱的。然而,一个拥有5个或13个电子的人工原子要健壮得多。”

硅的优势

2015年,Dzurak教授的团队是世界上第一个在硅设备中演示两个量子位之间的量子逻辑的团队,他们还发表了一份基于CMOS技术的全尺寸量子计算机芯片架构的设计,CMOS技术与制造所有现代计算机芯片的技术相同。

Dzurak教授说:“通过使用硅CMOS技术,我们可以通过解决具有全球意义的问题所需的数百万量子位来显著减少量子计算机的开发时间,例如设计新药物或新化学催化剂以减少能源消耗。”

在这一最新突破的延续中,该小组将探索化学键的规则如何应用到这些新的人造原子上,从而创造出“人造分子”。这些将被用来创建改进的多量子比特逻辑门,这是实现大规模硅量子计算机所需要的。

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