量子比特的不穩定性是量子電腦的挑戰之一。澳洲新南威爾士大學（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。

當代電腦構建在0和1的基礎數位上，量子電腦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，是量子電腦發展的挑戰之一。

與元素周期表 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周期表吧，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，這些電子開始分佈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佈的特性，也有按照這種規律分佈的電子層，與自然界元素周期表內的元素一樣。」

研究人員通過金屬表面電極門向矽材料施加一定電壓，吸引矽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，在量子點裏形成一個人造原子。」合作研究員薩拉瓦（Andre Saraiva）說。

「在真實的原子裏，原子核帶正電，遍佈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，我們使用氧化矽作為隔層材料將它與矽材料間隔開，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周期表對應一樣。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周期表年的年份，紀念元素周期表發表150周年。

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，在自然界元素裏面，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。

「我們在量子點裏面造出等同於氫、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，矽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電腦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份與人造原子綁定，造出「人造分子」，用於製造大型矽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。◇

 

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