Quantum-ingenieurs van UNSW Sydney hebben kunstmatige atomen in siliciumchips gemaakt die verbeterde stabiliteit bieden voor kwantumcomputing.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , UNSW quantum computing-onderzoekers beschrijven hoe ze kunstmatige atomen creëerden in een silicium 'quantum dot', een kleine ruimte in een kwantumcircuit waar elektronen worden gebruikt als qubits (of kwantumbits), de basiseenheden van kwantuminformatie.

Scientia Professor Andrew Dzurak legt uit dat, in tegenstelling tot een echt atoom, een kunstmatig atoom heeft geen kern, maar het heeft nog steeds elektronenschillen die rond het midden van het apparaat suizen, in plaats van rond de atoomkern.

"Het idee om kunstmatige atomen te maken met behulp van elektronen is niet nieuw, in feite werd het voor het eerst theoretisch voorgesteld in de jaren dertig en vervolgens experimenteel aangetoond in de jaren negentig, hoewel niet in silicium. In 2013 maakten we er voor het eerst een rudimentaire versie van in silicium. " zegt professor Dzurak, die een ARC Laureate Fellow is en tevens directeur is van de Australian National Fabrication Facility bij UNSW, waar het quantum dot-apparaat werd vervaardigd.

"Maar wat ons echt opwindt over ons laatste onderzoek, is dat kunstmatige atomen met een hoger aantal elektronen veel robuustere qubits blijken te zijn dan eerder voor mogelijk werd gehouden, wat betekent dat ze betrouwbaar kunnen worden gebruikt voor berekeningen in kwantumcomputers. Dit is belangrijk omdat qubits op basis van slechts één elektron erg onbetrouwbaar kunnen zijn."

Chemie 101

Professor Dzurak vergelijkt de verschillende soorten kunstmatige atomen die zijn team heeft gemaakt met een soort periodiek systeem voor kwantumbits, wat volgens hem toepasselijk is, aangezien 2019 - toen dit baanbrekende werk werd uitgevoerd - het internationale jaar van het periodiek systeem was.

"Als je terugdenkt aan je natuurkundeles op de middelbare school, je herinnert je misschien een stoffige kaart die aan de muur hing met alle bekende elementen in de volgorde van het aantal elektronen dat ze hadden, beginnend met waterstof met één elektron, Helium met twee, Lithium met drie enzovoort.

"Misschien herinner je je zelfs dat naarmate elk atoom zwaarder wordt, met steeds meer elektronen, ze organiseren zich in verschillende baanniveaus, bekend als 'schelpen'.

"Het blijkt dat wanneer we kunstmatige atomen creëren in onze kwantumcircuits, ze hebben ook goed georganiseerde en voorspelbare elektronenschillen, net zoals natuurlijke atomen in het periodiek systeem dat doen."

Verbind de punten

Professor Dzurak en zijn team van UNSW's School of Electrical Engineering, waaronder Ph.D. student Ross Leon die ook hoofdauteur is van het onderzoek, en Dr. Andre Saraiva - een kwantumapparaat in silicium geconfigureerd om de stabiliteit van elektronen in kunstmatige atomen te testen.

Ze legden een spanning op het silicium aan via een 'gate'-elektrode met een metalen oppervlak om reserve-elektronen uit het silicium aan te trekken om de kwantumstip te vormen. een oneindig kleine ruimte van slechts ongeveer 10 nanometer in diameter.

"Toen we langzaam de spanning verhoogden, we zouden nieuwe elektronen aantrekken, de een na de ander, om een ​​kunstmatig atoom te vormen in onze kwantumstip, " zegt dr. Saraiva, die de theoretische analyse van de resultaten leidde.

"In een echt atoom, je hebt een positieve lading in het midden, zijnde de kern, en dan worden de negatief geladen elektronen eromheen vastgehouden in driedimensionale banen. In ons geval, in plaats van de positieve kern, de positieve lading komt van de poortelektrode die van het silicium is gescheiden door een isolerende barrière van siliciumoxide, en dan hangen de elektronen eronder, elk in een baan rond het centrum van de kwantumstip. Maar in plaats van een bol te vormen, ze zijn plat gerangschikt, op een schijf."

meneer Leon, die de experimenten uitvoerde, zegt dat de onderzoekers geïnteresseerd waren in wat er gebeurde toen een extra elektron een nieuwe buitenste schil begon te bevolken. In het periodiek systeem, de elementen met slechts één elektron in hun buitenste schil omvatten waterstof en de metalen lithium, Natrium en Kalium.

"Als we het equivalent van waterstof creëren, Lithium en natrium in de kwantumstip, we zijn in principe in staat om dat eenzame elektron op de buitenste schil als een qubit te gebruiken, ' zegt Roos.

"Tot nu toe, onvolkomenheden in siliciumapparaten op atomair niveau hebben de manier waarop qubits zich gedragen, verstoord, wat leidt tot onbetrouwbare werking en fouten. Maar het lijkt erop dat de extra elektronen in de binnenschillen werken als een 'primer' op het imperfecte oppervlak van de kwantumdot, dingen gladstrijken en stabiliteit geven aan het elektron in de buitenste schil."

Bekijk de spin

Het bereiken van stabiliteit en controle over elektronen is een cruciale stap op weg naar de realiteit van op silicium gebaseerde kwantumcomputers. Waar een klassieke computer 'bits' informatie gebruikt die worden weergegeven door een 0 of een 1, de qubits in een kwantumcomputer kunnen tegelijkertijd waarden van 0 en 1 opslaan. Hierdoor kan een kwantumcomputer parallel berekeningen uitvoeren, in plaats van de een na de ander, zoals een conventionele computer zou doen. De dataverwerkingskracht van een kwantumcomputer neemt dan exponentieel toe met het aantal qubits dat hij beschikbaar heeft.

Het is de spin van een elektron die we gebruiken om de waarde van de qubit te coderen, legt professor Dzurak uit.

"Spin is een kwantummechanische eigenschap. Een elektron werkt als een kleine magneet en afhankelijk van de manier waarop het draait, kan zijn noordpool omhoog of omlaag wijzen, overeenkomend met een 1 of een 0.

"Als de elektronen in ofwel een echt atoom, of onze kunstmatige atomen, een volledige schaal vormen, ze richten hun polen in tegengestelde richtingen zodat de totale spin van het systeem nul is, waardoor ze nutteloos zijn als een qubit. Maar als we nog een elektron toevoegen om een ​​nieuwe schil te beginnen, dit extra elektron heeft een spin die we nu weer als qubit kunnen gebruiken.

"Ons nieuwe werk laat zien dat we de spin van elektronen in de buitenste schillen van deze kunstmatige atomen kunnen controleren om ons betrouwbare en stabiele qubits te geven.

"Dit is heel belangrijk omdat het betekent dat we nu met veel minder fragiele qubits kunnen werken. Eén elektron is een heel kwetsbaar ding. Maar een kunstmatig atoom met 5 elektronen, of 13 elektronen, is veel robuuster."

Het voordeel van silicium:

De groep van professor Dzurak was de eerste ter wereld die in 2015 kwantumlogica tussen twee qubits in siliciumapparaten demonstreerde en heeft ook een ontwerp gepubliceerd voor een full-scale kwantumcomputerchiparchitectuur op basis van CMOS-technologie, dat is dezelfde technologie die wordt gebruikt om alle moderne computerchips te vervaardigen.

"Door silicium CMOS-technologie te gebruiken, kunnen we de ontwikkelingstijd van kwantumcomputers aanzienlijk verkorten met de miljoenen qubits die nodig zijn om problemen van mondiale betekenis op te lossen, zoals het ontwerp van nieuwe medicijnen, of nieuwe chemische katalysatoren om het energieverbruik te verminderen", zegt professor Dzurak.

In het verlengde van deze laatste doorbraak, de groep zal onderzoeken hoe de regels van chemische binding van toepassing zijn op deze nieuwe kunstmatige atomen, om 'kunstmatige moleculen' te maken. Deze zullen worden gebruikt om verbeterde multi-qubit logische poorten te creëren die nodig zijn voor de realisatie van een grootschalige silicium-quantumcomputer.