【大紀元2020年02月25日訊】(大紀元記者張妮編譯)量子比特的不穩定性是量子電腦的挑戰之一。澳大利亞新南威爾士大學(UNSW)的新研究發現,利用電極造出內圍電子層有若干電子,而最外圍電子層只有單個電子的人造原子,將最外層的單個電子作為量子比特,將有效提高其穩定性,減少出錯率。
當代計算機構建在0和1的基礎數位上,量子計算機則構建在量子比特數位上,除了0和1的狀態,還可以是0和1的疊加態。可是目前量子比特出錯率較高,是量子計算機發展的挑戰之一。
與元素週期表對應的人造原子
這項研究的負責人——新南威爾士大學教授德祖拉克(Andrew Dzurak)解釋說:「回想一下高中時期,你可能記得掛在牆上的那張元素週期表吧,根據原子核外面所帶電子的數量排列的元素表,從只有一個電子的氫開始,接著是帶兩個電子的氦、三個電子的鋰等等元素。」
「隨著原子原來越重,帶有越來越多的電子,這些電子開始分布在不同層級的軌道上,也稱為電子層。我們發現,人造原子也具有這樣分布的特性,也有按照這種規律分布的電子層,與自然界元素週期表內的元素一樣。」
研究人員通過金屬表面電極門向硅材料施加一定電壓,吸引硅材料中多餘的電子組成一個直徑只有約10納米的「量子點」。
「當電壓緩慢提升,電子將一個接一個地不斷被吸引出來,在量子點裡形成一個人造原子。」合作研究員薩拉瓦(Andre Saraiva)說。
「在真實的原子裡,原子核帶正電,遍布周圍三維空間軌道內的電子帶負電。對於人造原子來說,正電來自電極門,我們使用氧化硅作為隔層材料將它與硅材料間隔開,吸引出來的電子懸浮在它的下方,每個電子繞著量子點運轉,不過它們不是組成球狀,而是扁平的盤狀。」
德祖拉克說,他們團隊造出的人造原子就像和元素週期表對應一樣。他感慨地表示,這項研究在2019年獲得突破,這年正是被聯合國定為國際化學元素週期表年的年份,紀念元素週期表發表150週年。
最外圍電子做「量子比特」更穩定
負責實驗操作的萊昂(Ross Leon)說,在自然界元素裡面,氫,以及金屬元素鈉和鉀,都是最外面的電子層只有一個電子的元素。
「我們在量子點裡面造出等同於氫、鋰和鈉元素的人造原子時,我們可以使用位於最外層的單獨電子作為量子比特。」萊昂說。
「目前為止,硅設備原子層面的一些缺陷是影響量子比特穩定性的重要因素,導致操作不穩定和錯誤。可是這項實驗看來,量子點內層軌道空間上的電子可以起到『底漆』平滑鋪墊的作用,讓位於最外層的獨個電子(作為量子比特的電子)更加穩定。」
德祖拉克教授帶領的團隊在量子計算機研究領域處於領先地位。在這項突破之後,他們將繼續探索如何將化學成分與人造原子綁定,造出「人造分子」,用於製造大型硅基量子電腦所需的多量子比特邏輯門結構。
這項研究近期發表在《自然-通訊》(Nature Communications)期刊上。◇
責任編輯:朱涵儒