Kvantingenjörer från UNSW Sydney har skapat konstgjorda atomer i kiselchips som erbjuder förbättrad stabilitet för kvantberäkning.

I en artikel publicerad idag Naturkommunikation , UNSW -kvantberäkningsforskare beskriver hur de skapade konstgjorda atomer i en kiselkvantpunkt, ett litet utrymme i en kvantkrets där elektroner används som qubits (eller kvantbitar), grundenheterna för kvantinformation.

Scientia -professor Andrew Dzurak förklarar att till skillnad från en riktig atom, en artificiell atom har ingen kärna, men det har fortfarande skal av elektroner som susar runt mitten av enheten, snarare än runt atomkärnan.

"Tanken att skapa konstgjorda atomer med elektroner är inte ny, i själva verket föreslogs det först teoretiskt på 1930 -talet och demonstrerades sedan experimentellt på 1990 -talet - fast inte i kisel. Vi gjorde först en rudimentär version av den i kisel 2013, "säger professor Dzurak, som är ARC -pristagare och även chef för Australian National Fabrication Facility på UNSW, där kvantpunktenheten tillverkades.

"Men det som verkligen upphetsar oss med vår senaste forskning är att konstgjorda atomer med ett högre antal elektroner visar sig vara mycket mer robusta qubits än vad man tidigare trodde var möjligt, vilket betyder att de kan användas på ett tillförlitligt sätt för beräkningar i kvantdatorer. Detta är viktigt eftersom qubits baserade på bara en elektron kan vara mycket opålitliga. "

Kemi 101

Professor Dzurak liknar de olika typerna av konstgjorda atomer som hans team har skapat med ett slags periodiskt bord för kvantbitar, vilket han säger är lämpligt med tanke på att 2019-då detta banbrytande arbete utfördes-var det internationella året för det periodiska systemet.

"Om du tänker tillbaka på din gymnasievetenskapsklass, du kanske kommer ihåg ett dammigt diagram som hängde på väggen som listade alla kända element i storleksordningen hur många elektroner de hade, börjar med väte med en elektron, Helium med två, Litium med tre och så vidare.

"Du kanske till och med kommer ihåg att när varje atom blir tyngre, med fler och fler elektroner, de organiseras i olika omloppsnivåer, känd som "skal".

"Det visar sig att när vi skapar konstgjorda atomer i våra kvantkretsar, de har också välorganiserade och förutsägbara skal av elektroner, precis som naturliga atomer i det periodiska systemet gör. "

Anslut prickarna

Professor Dzurak och hans team från UNSW:s högskola för elektroteknik - inklusive doktorsexamen studenten Ross Leon som också är huvudförfattare inom forskningen, och Dr Andre Saraiva - konfigurerade en kvantanordning i kisel för att testa stabiliteten hos elektroner i artificiella atomer.

De applicerade en spänning på kislet via en metallport 'gate' -elektrod för att attrahera reservelektroner från kislet för att bilda kvantpunkten, ett oändligt litet utrymme på endast cirka 10 nanometer i diameter.

"När vi långsamt ökade spänningen, vi skulle dra in nya elektroner, en efter en, att bilda en artificiell atom i vår kvantpunkt, säger doktor Saraiva, som ledde den teoretiska analysen av resultaten.

"I en riktig atom, du har en positiv laddning i mitten, vara kärnan, och sedan hålls de negativt laddade elektronerna runt den i tredimensionella banor. I vårat fall, snarare än den positiva kärnan, den positiva laddningen kommer från portelektroden som separeras från kislet genom en isolerande barriär av kiseloxid, och sedan hänger elektronerna under den, varje kretsar runt mitten av kvantpunkten. Men snarare än att bilda en sfär, de är arrangerade platta, i en skiva. "

Herr Leon, som körde experimenten, säger att forskarna var intresserade av vad som hände när en extra elektron började fylla ett nytt yttre skal. I det periodiska systemet, elementen med bara en elektron i sina yttre skal inkluderar väte och metaller litium, Natrium och kalium.

"När vi skapar motsvarigheten till väte, Litium och natrium i kvantpunkten, vi kan i princip använda den enda elektronen på det yttre skalet som en qubit, Säger Ross.

"Ända tills nu, brister i kiselanordningar på atomnivå har stört hur qubiter beter sig, vilket leder till opålitlig drift och fel. Men det verkar som om de extra elektronerna i de inre skalen fungerar som en "primer" på den ofullkomliga ytan av kvantpunkten, jämnar ut saker och ger elektronen stabilitet i det yttre skalet. "

Se snurren

Att uppnå stabilitet och kontroll av elektroner är ett avgörande steg mot att kiselbaserade kvantdatorer ska bli verklighet. Om en klassisk dator använder "bitar" av information representerad av antingen ett 0 eller ett 1, qubits i en kvantdator kan lagra värden på 0 och 1 samtidigt. Detta gör det möjligt för en kvantdator att utföra beräkningar parallellt, snarare än en efter en annan som en vanlig dator skulle. Databehandlingsstyrkan hos en kvantdator ökar sedan exponentiellt med antalet qubits som den har tillgänglig.

Det är snurrningen av en elektron som vi använder för att koda värdet på qubit, förklarar professor Dzurak.

"Spinn är en kvantmekanisk egenskap. En elektron fungerar som en liten magnet och beroende på vilket sätt den snurrar sin nordpol kan den antingen peka uppåt eller nedåt, motsvarande en 1 eller en 0.

"När elektronerna i antingen en riktig atom, eller våra konstgjorda atomer, bilda ett komplett skal, de riktar sina poler i motsatta riktningar så att systemets totala snurr är noll, vilket gör dem värdelösa som en qubit. Men när vi lägger till ytterligare en elektron för att starta ett nytt skal, denna extra elektron har ett snurr som vi nu kan använda som en qubit igen.

"Vårt nya arbete visar att vi kan kontrollera elektronernas snurr i de yttre skalen på dessa artificiella atomer för att ge oss pålitliga och stabila qubits.

"Det här är verkligen viktigt eftersom det betyder att vi nu kan arbeta med mycket mindre ömtåliga qubits. En elektron är en mycket bräcklig sak. Men en artificiell atom med 5 elektroner, eller 13 elektroner, är mycket mer robust. "

Fördelen med kisel

Professor Dzuraks grupp var den första i världen som demonstrerade kvantlogik mellan två qubits i kiselanordningar 2015, och har också publicerat en design för en fullskalig kvantdatorchiparkitektur baserad på CMOS-teknik, som är samma teknik som används för att tillverka alla moderna datorchips.

"Genom att använda kisel -CMOS -teknik kan vi avsevärt minska utvecklingstiden för kvantdatorer med de miljoner qubits som kommer att behövas för att lösa problem av global betydelse, såsom utformning av nya läkemedel, eller nya kemiska katalysatorer för att minska energiförbrukningen ", säger professor Dzurak.

I en fortsättning på detta senaste genombrott, gruppen kommer att utforska hur reglerna för kemisk bindning gäller för dessa nya konstgjorda atomer, för att skapa "konstgjorda molekyler". Dessa kommer att användas för att skapa förbättrade multi-qubit logikportar som behövs för att förverkliga en storskalig kiseldator i kisel.