Kunstige atomer skaber stabile qubits til kvanteberegning

Kvanteingeniører fra UNSW Sydney har skabt kunstige atomer i siliciumchips, der giver forbedret stabilitet til kvanteberegning.

I et papir, der blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation , UNSW kvanteberegningsforskere beskriver, hvordan de skabte kunstige atomer i en silicium 'quantum dot', et lille rum i et kvantekredsløb, hvor elektroner bruges som qubits (eller kvantebits), de grundlæggende enheder af kvanteinformation.

Scientia-professor Andrew Dzurak forklarer, at i modsætning til et rigtigt atom, et kunstigt atom har ingen kerne, men den har stadig skaller af elektroner, der suser rundt i midten af ​​enheden, snarere end omkring atomets kerne.

"Ideen om at skabe kunstige atomer ved hjælp af elektroner er ikke ny, faktisk blev det først foreslået teoretisk i 1930'erne og derefter demonstreret eksperimentelt i 1990'erne - dog ikke i silicium. Vi lavede første gang en rudimentær version af den i silicium tilbage i 2013, " siger professor Dzurak, som er ARC Laureate Fellow og også er direktør for Australian National Fabrication Facility ved UNSW, hvor quantum dot-enheden blev fremstillet.

"Men det, der virkelig begejstrer os ved vores seneste forskning, er, at kunstige atomer med et højere antal elektroner viser sig at være meget mere robuste qubits end tidligere antaget muligt, hvilket betyder, at de pålideligt kan bruges til beregninger i kvantecomputere. Dette er vigtigt, fordi qubits baseret på kun én elektron kan være meget upålidelige."

Kemi 101

Professor Dzurak sammenligner de forskellige typer kunstige atomer, hans team har skabt, med en slags periodisk tabel for kvantebits, hvilket han siger er passende i betragtning af, at 2019 - da dette banebrydende arbejde blev udført - var det internationale år for det periodiske system.

"Hvis du tænker tilbage på din high school science klasse, du husker måske et støvet diagram, der hang på væggen, og som viste alle de kendte elementer i rækkefølgen af, hvor mange elektroner de havde, begyndende med hydrogen med en elektron, Helium med to, Lithium med tre og så videre.

"Du kan endda huske, at når hvert atom bliver tungere, med flere og flere elektroner, de organiserer sig i forskellige kredsløbsniveauer, kendt som 'skaller'.

"Det viser sig, at når vi skaber kunstige atomer i vores kvantekredsløb, de har også velorganiserede og forudsigelige skaller af elektroner, ligesom naturlige atomer i det periodiske system gør."

Forbind prikkerne

Professor Dzurak og hans team fra UNSW's School of Electrical Engineering—herunder Ph.D. studerende Ross Leon, som også er hovedforfatter i forskningen, og Dr. Andre Saraiva - konfigurerede en kvanteindretning i silicium til at teste stabiliteten af ​​elektroner i kunstige atomer.

De påførte en spænding til silicium via en metaloverflade-'gate'-elektrode for at tiltrække ekstra elektroner fra silicium for at danne kvanteprikken, et uendeligt lille rum på kun omkring 10 nanometer i diameter.

"Da vi langsomt øgede spændingen, vi ville trække nye elektroner ind, den ene efter den anden, at danne et kunstigt atom i vores kvanteprik, " siger Dr. Saraiva, der ledede den teoretiske analyse af resultaterne.

"I et rigtigt atom, du har en positiv ladning i midten, være kernen, og så holdes de negativt ladede elektroner omkring den i tredimensionelle baner. I vores tilfælde, snarere end den positive kerne, den positive ladning kommer fra gate-elektroden, som er adskilt fra silicium af en isolerende barriere af siliciumoxid, og så er elektronerne suspenderet under det, hver kredser omkring midten af ​​kvanteprikken. Men frem for at danne en kugle, de er arrangeret fladt, på en disk."

Leon, hvem kørte eksperimenterne, siger, at forskerne var interesserede i, hvad der skete, da en ekstra elektron begyndte at befolke en ny ydre skal. I det periodiske system, grundstofferne med kun én elektron i deres ydre skal omfatter hydrogen og metallerne lithium, Natrium og kalium.

"Når vi skaber hvad der svarer til brint, Lithium og natrium i kvanteprikken, vi er dybest set i stand til at bruge den enlige elektron på den ydre skal som en qubit, " siger Ross.

"Indtil nu, ufuldkommenheder i siliciumenheder på atomniveau har forstyrret den måde, hvorpå qubits opfører sig, fører til upålidelig drift og fejl. Men det ser ud til, at de ekstra elektroner i de indre skaller virker som en 'primer' på den ufuldkomne overflade af kvantepunktet, udjævne ting og give stabilitet til elektronen i den ydre skal. "

Se spin

At opnå stabilitet og kontrol af elektroner er et afgørende skridt i retning af, at siliciumbaserede kvantecomputere bliver en realitet. Hvor en klassisk computer bruger "bits" af information repræsenteret ved enten et 0 eller et 1, qubits i en kvantecomputer kan lagre værdier på 0 og 1 samtidigt. Dette gør det muligt for en kvantecomputer at udføre beregninger parallelt, snarere end den ene efter den anden, som en konventionel computer ville. Databehandlingskraften i en kvantecomputer stiger derefter eksponentielt med antallet af qubits, den har til rådighed.

Det er spindet af en elektron, vi bruger til at kode værdien af ​​qubit, forklarer professor Dzurak.

"Spin er en kvantemekanisk egenskab. En elektron fungerer som en lille magnet, og afhængigt af hvilken vej den drejer, kan dens nordpol enten pege op eller ned, svarende til 1 eller 0.

"Når elektronerne i enten et rigtigt atom, eller vores kunstige atomer, danne en komplet skal, de justerer deres poler i modsatte retninger, så systemets samlede spin er nul, gør dem ubrugelige som en qubit. Men når vi tilføjer en elektron mere for at starte en ny skal, denne ekstra elektron har et spin, som vi nu kan bruge som en qubit igen.

"Vores nye arbejde viser, at vi kan kontrollere elektronernes spin i de ydre skaller af disse kunstige atomer for at give os pålidelige og stabile qubits.

"Dette er virkelig vigtigt, fordi det betyder, at vi nu kan arbejde med meget mindre skrøbelige qubits. Én elektron er en meget skrøbelig ting. Men et kunstigt atom med 5 elektroner, eller 13 elektroner, er meget mere robust."

Fordelen med silicium

Professor Dzuraks gruppe var den første i verden til at demonstrere kvantelogik mellem to qubits i siliciumenheder i 2015, og har også udgivet et design til en fuldskala kvantecomputerchiparkitektur baseret på CMOS-teknologi, som er den samme teknologi, der bruges til at fremstille alle moderne computerchips.

"Ved at bruge silicium CMOS -teknologi kan vi reducere udviklingstiden for kvantecomputere betydeligt med de millioner af qubits, der vil være nødvendige for at løse problemer af global betydning, design af nye lægemidler, eller nye kemiske katalysatorer for at reducere energiforbruget", siger professor Dzurak.

I en fortsættelse af dette seneste gennembrud, gruppen vil undersøge, hvordan reglerne for kemisk binding gælder for disse nye kunstige atomer, at skabe 'kunstige molekyler'. Disse vil blive brugt til at skabe forbedrede multi-qubit logiske porte, der er nødvendige for realiseringen af ​​en storstilet silicium kvantecomputer.