Недавно, ученые из университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales, UNSW), Австралия, нашли способ, позволяющий стабилизировать крошечные кремниевые структуры, называемые искусственными атомами, делая их практически не зависящими от дефектов в кремнии, возникающих на этапе производства. Эти искусственные атомы являются основой квантовых битов, кубитов, основных блоков любой квантовой вычислительной и коммуникационной системы, и их стабильность обеспечивает работу опытного образца квантового чипа с точностью, превышающей показатель в 99 процентов.
Искусственные атомы, известные еще под названием квантовых точек, являются наноразмерными полупроводниковыми кристаллами, имеющими специальную область пространства, способными захватывать и удерживать свободные электроны в этой области. А захват и ограничение движения электронов в трехмерном пространстве производится за счет управляемых электрических полей, возникающих из-за приложенного к кристаллу электрического потенциала.
Структура искусственных атомов, созданных австралийскими учеными, весьма напоминает структуру полевого транзистора, потенциал на затворе которого привлекает свободные электроны из кремния и удерживает их в области квантовой точки, которая является своего рода аналогом канала транзистора. При этом, количество пойманных в ловушку электронов может быть достаточно велико, и все они синхронно вращаются вокруг центра квантовой точки, формируя не сферическую оболочку, как в обычном атоме, а нечто вроде плоского диска.
Первые искусственные атомы или квантовые точки, созданные австралийскими учеными, не отличались особой стабильностью работы. Наличие дефектов атомарного уровня в кремнии, возникших на стадии производства, приводило к ненадежной работе кубитов, которые демонстрировали высокий уровень ошибок. Но позже, подняв напряжение на электроде затвора, ученым удалось добиться того, что в ловушку квантовой точки начало попадать большее количество электронов. После этого искусственный атом стал подобен атомам более тяжелых элементов, и в нем даже возникло подобие нескольких электронных оболочек, как у обычных атомов, поведение которых предсказуемо и изучено достаточно хорошо.
“Когда электроны в наших искусственных атомах формируют полную оболочку, они движутся в противоположных направлениях и синхронизируются так, что суммарный спин системы равен нулю, делая такие атомы бесполезными для использования в качестве кубита. Если верхняя оболочка неполна и содержит несколько электронов, то их суммарный спин является нестабильным, его квантовое состояние может разрушиться даже от малейшего внешнего вмешательства. Но если оставить поверх законченной электронной оболочки один единственный электрон, то его спин стабилизируется наличием нижних электронных оболочек и такой искусственный атом можно использовать в качестве надежно работающего кубита” – пишут исследователи, – “Наши исследования показали, что искусственный атом с 13 электронами намного более стабилен, чем такой же атом с 5 электронами. Более того, при увеличении количества электронов в искусственном атоме, возрастает его устойчивость к атомарным дефектам в кремнии, такой атом за счет массы находящихся в нем электронов может сам компенсировать пагубное влияние этих дефектов”.
