量子比特的不稳定性是量子电脑的挑战之一。澳大利亚新南威尔士大学的新研究发现，利用电极造出内围电子层有若干电子，而最外围电子层只有单个电子的人造原子，将最外层的单个电子作为量子比特，将有效提高其稳定性，减少出错率。
当代计算机构建在0和1的基础数码上，量子计算机则构建在量子比特数码上，除了0和1的状态，还可以是0和1的叠加态。可是目前量子比特出错率较高，是量子计算机发展的挑战之一。
与元素周期表对应的人造原子
这项研究的负责人——新南威尔士大学教授德祖拉克解释说：“回想一下高中时期，你可能记得挂在墙上的那张元素周期表吧，根据原子核外面所带电子的数量排列的元素表，从只有一个电子的氢开始，接着是带两个电子的氦、三个电子的锂等等元素。”
“随着原子原来越重，带有越来越多的电子，这些电子开始分布在不同层级的轨道上，也称为电子层。我们发现，人造原子也具有这样分布的特性，也有按照这种规律分布的电子层，与自然界元素周期表内的元素一样。”
研究人员通过金属表面电极门向硅材料施加一定电压，吸引硅材料中多余的电子组成一个直径只有约10纳米的“量子点”。“当电压缓慢提升，电子将一个接一个地不断被吸引出来，在量子点里形成一个人造原子。”合作研究员萨拉瓦说。
“在真实的原子里，原子核带正电，遍布周围三维空间轨道内的电子带负电。对于人造原子来说，正电来自电极门，我们使用氧化硅作为隔层材料将它与硅材料间隔开，吸引出来的电子悬浮在它的下方，每个电子绕着量子点运转，不过它们不是组成球状，而是扁平的盘状。”
德祖拉克说，他们团队造出的人造原子就像和元素周期表对应一样。他感慨地表示，这项研究在2019年获得突破，这年正是被联合国定为国际化学元素周期表年的年份，纪念元素周期表发布150周年。
最外围电子做“量子比特”更稳定
负责实验操作的莱昂说，在自然界元素里面，氢，以及金属元素钠和钾，都是最外面的电子层只有一个电子的元素。“我们在量子点里面造出等同于氢、锂和钠元素的人造原子时，我们可以使用位于最外层的单独电子作为量子比特。”莱昂说。
“目前为止，硅设备原子层面的一些缺陷是影响量子比特稳定性的重要因素，导致操作不稳定和错误。可是这项实验看来，量子点内层轨道空间上的电子可以起到‘底漆’平滑铺垫的作用，让位于最外层的独个电子（作为量子比特的电子）更加稳定。”
德祖拉克教授带领的团队在量子计算机研究领域处于领先地位。在这项突破之后，他们将继续探索如何将化学成分与人造原子绑定，造出“人造分子”，用于制造大型硅基量子电脑所需的多量子比特逻辑门结构。这项研究近期发布在《自然-通讯》期刊上。
