新万搏电竞亚洲体育-澳科学家制作无核的“人造原子”:电子越多,量子计算越稳定

新万搏电竞亚洲体育-澳科学家制作无核的“人造原子”:电子越多,量子计算越稳定
我们熟悉的化学元素周期表按照原子核外电子数排列,氢有1个电子,氦有2个,锂有3个……随着电子越来越多,它们会组成不同级别的轨道,称为“壳层”。
澳大利亚新南威尔士大学教授安德鲁•德祖拉克(Andrew Dzurak)团队自2013年起就在硅材料中制造没有原子核的“人造原子”,电子们在一个平面上围绕圆心旋转。他们发现,随着电子数的增加,这些人造原子的电子也会组成不同级别的壳层,表现出特定的规律。
该团队2月11日发表在英国《自然-通讯》杂志(Nature Communications)上的一篇论文称,人造原子的电子数越多,就能成为越稳定的“量子比特”,这意味着,它们有潜力用于量子计算机。
“这很重要,基于一个电子的量子比特非常脆弱。” 德祖拉克说道。
(小标题)人造原子
把电子人工组装成原子的想法并不新鲜,相关理论最早在1930年代就提出了,随后在1990年得到实验证明。
这类人造原子还有个更时髦的名字,叫做“量子点”。我们可以理解为,把半导体材料上的电子在三维方向上的运动都限制在很小的尺寸内,形成一个狭窄的电子“监牢”,近似为一个点。可以想象,由于能更精确地控制尺寸,量子点材料就能传输更细致的光谱,因而成为显示器领域的热点概念。
德祖拉克团队运用金属表面的门电极向硅施加电压,从硅中吸引出空余的电子,形成一个直径只有10纳米的量子点空间。
通过缓慢地增加电压,电子一个一个地被吸纳进量子点空间,组成了一个人造原子。
门电极和硅被一道氧化硅材料的绝缘屏障隔断。在自然界的原子中,原子核带正电荷,带负电荷的电子围绕它旋转,形成球形的三维轨道。而在人造原子中,由于正电荷来自于门电极,电子们就会悬浮在绝缘屏障下,围绕中心旋转,形成了一个圆盘平面。
(小标题)量子比特
该研究团队最感兴趣的是最外壳层上只有一个电子的人造原子,相当于自然界中的氢、锂、钾等元素。
研究人员表示,如果在量子点中制造出“人造氢原子”、“人造锂原子”、“人造钠原子”时,最外壳层上的孤电子就能拿来做量子比特。
经典计算机用晶体管存储一“位”信息,晶体管的开关状态分别表示0和1,而在量子计算机上,得益于叠加态,一个量子比特上能同时存储0和1。
这种叠加的0和1可以用电子的自旋方向来编码,就像一块磁铁指向南极或北极。
德祖拉克解释道,不管在自然原子还是人造原子中,如果电子填满了每一壳层,那整个原子的总自旋就会被相互抵消掉。但如果最外层有个孤电子,人们就可以控制它的自旋,实现量子计算。
2015年,德祖拉克团队在世界上首次用基于硅材料的两个量子比特,制作了一个可以计算的量子逻辑门。
不过,大规模的量子计算机比这复杂得多。下一步,该团队计划研究这些人造原子之间的化学键怎么组成“人造分子”,没准能实现多量子比特计算的逻辑门。

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