Вчені створили самий стабільний квантовий кремнієвий чіп, в основі якого лежать штучні атоми

Mar 02 8:00 2020 Друк цієї статті

Ці штучні атоми є основою квантових бітів, кубітів, основних блоків будь квантової обчислювальної та комунікаційної системи, і їх стабільність забезпечує роботу досвідченого зразка квантового чіпа з точністю, що перевищує показник у 99 відсотків.

Штучні атоми, відомі ще під назвою квантових точок, є нанорозмірними напівпровідниковими кристалами, які мають спеціальну область простору, здатні захоплювати і утримувати вільні електрони в цій області. А захоплення і обмеження руху електронів в тривимірному просторі проводиться за рахунок керованих електричних полів, що виникають із-за прикладеного до кристалу електричного потенціалу.

Структура штучних атомів, створених австралійськими вченими, вельми нагадує структуру польового транзистора, потенціал на затворі якого залучає вільні електрони з кремнію і утримує їх в області квантової точки, яка є свого роду аналогом каналу транзистора. При цьому, кількість спійманих в пастку електронів може бути досить велика, і всі вони синхронно обертаються навколо центру квантової точки, формуючи не сферичну оболонку, як у звичайному атомі, а щось на зразок плоского диска.

Перші штучні атоми або квантові точки, створені австралійськими вченими, не відрізнялися особливою стабільністю роботи. Наявність дефектів атомарного рівня у кремнії, що виникли на стадії виробництва, призводило до ненадійної роботи кубітів, які демонстрували високий рівень помилок. Але пізніше, піднявши напруга на електроді затвора, ученим вдалося добитися того, що в пастку квантової точки почало потрапляти більша кількість електронів. Після цього штучний атом став подібний атоми більш важких елементів, і в ньому навіть виникло подібність кількох електронних оболонок, як у звичайних атомів, поведінка яких передбачувано і вивчено досить добре.

"Коли електрони в наших штучних атомах формують повну оболонку, вони рухаються в протилежних напрямках і синхронізуються так, що сумарний спін системи дорівнює нулю, роблячи такі атоми марними для використання в якості кубіта. Якщо верхня оболонка неповна і містить декілька електронів, то їх сумарний спін є нестабільним, його квантовий стан може зруйнуватися навіть від найменшого зовнішнього втручання. Але якщо залишити поверх закінченою електронної оболонки один єдиний електрон, то його спін стабілізується наявністю нижніх електронних оболонок і такий штучний атом можна використовувати в якості надійно працюючого кубіта" - пишуть дослідники, - "Наші дослідження показали, що штучний атом з 13 електронами набагато більш стабільний, ніж такий же атом з 5 електронами. Більш того, при збільшенні кількості електронів в штучному атомі, зростає його стійкість до атомарним дефектів в кремнії, такий атом за рахунок маси знаходяться в ньому електронів може сам компенсувати згубний вплив цих дефектів".