量子革命:用人造原子创建更稳定的量子比特-量子客
(硅量子比特高频测量平台置于稀释冰箱  来源:UNSW / Ken Leanfore)

近日,悉尼新南威尔士大学的量子工程师已经在硅芯片中创造了人造原子,从而为量子计算提供了更高的稳定性。

 

原理

在近日发表在《自然通信》杂志上的一篇论文中,新南威尔士大学量子计算研究员描述了他们如何在硅“量子点”中创建人工原子,硅“量子点”是量子线路中的一个小空间。其中,电子被用作量子信息的基本单位,即量子比特。

安德鲁·杜拉克(Andrew Dzurak)教授解释说:“与真实的原子不同,人工原子没有原子核,所以其电子外壳围绕着装置的中心旋转,而不是围绕原子核旋转。”

“利用电子创造人造原子的想法并不新鲜,事实上,该理论最初是在20世纪30年代提出的,90年代实验证明了这一想法的可行性——不过不是在硅中证实。早在2013年,我们就在硅材料中首次制作出了它的雏形。” 杜拉克教授说。他是ARC获奖者,同时也是新南威尔士州澳大利亚国家制造厂的主管,该厂是量子点器件的生产地。“但真正让我们兴奋的是,我们最新的研究发现,包含更多电子数的人造原子的量子比特比先前认为的可能要强大得多,这意味着它们可以稳健地用于量子计算机的计算。这一点很重要,因为仅基于一个电子的量子比特可能非常不可靠。”

 

化学101

杜拉克教授将团队创建的不同类型的人工原子比作量子比特的周期表。他说,考虑到2019年——这项开创性工作开展之时——是周期表的国际年,这一点是比较合理的。

“回想一下高中的教室,你可能会记得墙上挂着一张满是灰尘的图表,上面列出了所有已知的元素,按照它们电子数的顺序排列,首先是氢有一个电子,氦有两个,锂有三个……你可能还记得,随着每个原子质量越来越大,电子越来越多,它们会组织成不同级别的轨道,称为‘壳’。事实证明,当我们在量子线路中制造人造原子时,它们也有组织良好、可预测的电子壳层,就像周期表中的自然原子一样。”

量子革命:用人造原子创建更稳定的量子比特-量子客
(来源:UNSW/Ken Leanfore)

Andre Saraiva博士、Ross Leon先生和Andrew Dzurak在新南威尔士大学实验室的合照,本项目实验在该量子器件上进行。

量子点连接

新南威尔士大学电气工程学院的杜拉克教授和他的团队,包括博士生罗斯·莱昂(Ross Leon)(该项研究的主要作者)和安德烈·萨拉瓦(Andre Saraiva)博士,在硅中配置了一个量子器件来测试人造原子中电子的稳定性。

他们通过金属表面的“栅极”电极向硅施加电压,从硅中吸引多余的电子,形成量子点,这是一个直径只有10纳米左右的无限小空间。“当缓慢地增加电压时,我一个接一个地电子被吸收过来,在量子点中形成一个人工原子。”负责对结果进行理论分析的萨拉瓦博士说,“在自然原子的中间有一个正电荷,即原子核,带负电荷的电子在三维轨道围绕着它。在我们的实验中,正电荷来自正极,而正电荷来自栅电极,该栅电极通过氧化硅的绝缘屏障与硅分离,然后电子悬浮在其下方,每个电子围绕量子点的中心旋转。但它们不是形成一个球体,而是平放在一个圆盘中。”

负责这项实验的莱昂表示,研究员对一个额外的电子开始填充一个新的外壳时发生的事情很感兴趣。在周期表中,外层只有一个电子的元素包括氢、金属锂、钠和钾。

罗斯说:“当我们在量子点中创造出相当于氢、锂和钠的物质时,基本上就能够利用外壳上的孤电子作为量子比特。”“到目前为止,原子级硅器件的缺陷已经破坏了量子比特的行为方式,导致不可靠的操作和错误。但内壳层中多余的电子似乎就像是量子点不完美表面上的‘底漆’,它能使东西变得平滑,并使外壳层中的电子保持稳定。”

 

观察自旋

实现电子的稳定和控制是实现硅基量子计算机的关键一步。如果经典计算机使用由0或1表示的“比特”信息,量子计算机中的量子比特可以同时存储0和1的值。这使得量子计算机能够进行并行计算,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随其可用的量子比特数呈指数增长。

“我们用电子的自旋来编码量子比特的值。”Dzurak教授解释道。自旋是一种量子力学性质。一个电子就像一个小磁铁,类似于磁铁旋转指向南北极,它可以向上或向下指向1或0。

“当一个自然原子或我们人工原子中的电子形成一个完整的壳层时,它们会将磁极向相反的方向排列,从而使系统的总自旋为零,这样它们作为量子比特就不能发挥作用。但是当我们再加一个电子开始形成一个新的壳层时,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比特。实验表明,我们可以控制这些人造原子外壳中电子的自旋,从而提供可靠和稳定的量子比特。这一点非常重要,因为这意味着我们现在可以使用不那么脆弱的量子比特。一个电子是非常脆弱的,相比之下,一个有5个电子或13个电子的人造原子就比较稳固了。”

 

硅的优势

杜拉克教授的团队是2015年世界上第一个在硅器件中演示两个量子比特之间量子逻辑的团队,还发表了一份基于CMOS技术的全尺寸量子计算机芯片架构设计,该技术与制造所有现代计算机芯片所用的技术相同。

“通过使用硅CMOS技术,我们可以大大缩短量子计算机的开发时间,因为要解决具有全球意义的问题,例如设计新药物或新的化学催化剂以降低能耗,需要数百万个量子比特。”

后续,该小组将探索化学键的规则如何应用于这些新的人工原子,以创造“人工分子”。这些将被用于创建实现大规模硅量子计算机所需的改进的多量子比特逻辑门。

 

研究合作者和资助

论文的其他作者还包括杜拉克教授团队的Henry Yang, Jason Hwang, Tuomo Tanttu, Wister Huang, Kok-Wai Chan和Fay Hudson博士,以及来自新南威尔士大学的长期合作者阿恩·劳赫特(Arne Laucht)博士和安德里亚·莫雷罗(Andrea Morello)教授。此外,芬兰阿尔托大学的Kuan Yen博士为该团队提供了帮助,日本庆应大学的大井一夫(Kohei Itoh)教授则提供了用于制造这些设备的浓缩硅-28晶圆。实验中,量子设备采用了纳米级磁铁来帮助实现量子比特操作,这些设备的设计得到了加拿大舍布鲁克大学米歇尔·皮奥罗·拉迪埃(Michel Pioro Ladrière)教授领导的团队的支持,其中包括他的博士生朱利安·卡米兰·莱梅尔(Julien Camirand Lemyre)。

该项目得到了澳大利亚研究委员会、美国陆军研究办公室、硅量子计算专利有限公司(Silicon Quantum Computing Proprietary Limited)和澳大利亚国家制造设施(Australian National Fabrication Facility)的支持,Saraiva博士和Yang博士表示硅量子计算公司(Silicon Quantum Computing)也提供了支持。加拿大团队得到了加拿大第一研究卓越基金和加拿大国家科学工程研究委员会的支持。

 

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作者:量子计算最前沿     编辑:Sukura