Нещодавно, вчені з університету Нового Південного Уельсу (University of New South Wales, UNSW), Австралія, знайшли спосіб, що дозволяє стабілізувати крихітні кремнієві структури, звані штучними атомами, роблячи їх практично не залежать від дефектів в кремнії, що виникають на етапі виробництва. Ці штучні атоми є основою квантових бітів, кубітів, основних блоків будь квантової обчислювальної і комунікаційної системи, і їх стабільність забезпечує роботу досвідченого зразка квантового чіпа з точністю, що перевищує показник в 99 відсотків.
Штучні атоми, відомі ще під назвою квантових точок, є нанорозмірними напівпровідниковими кристалами, що мають спеціальну область простору, здатними захоплювати і утримувати вільні електрони в цій галузі. А захоплення і обмеження руху електронів в тривимірному просторі проводиться за рахунок керованих електричних полів, що виникають через прикладеного до кристалу електричного потенціалу.
Структура штучних атомів, створених австралійськими вченими, дуже 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 велике, 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 в кремнії, що виникли на стадії виробництва, приводило до ненадійної роботи кубітів, які демонстрували високий рівень помилок. Але пізніше, піднявши напругу на електроді затвора, вченим вдалося домогтися того, що в пастку квантової точки початок потрапляти більша кількість електронів. Після цього штучний атом став подібний до атомам більш важких елементів, і в ньому навіть виникло подобу декількох 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 кілька 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 ста білізіруется наявністю нижніх електронних оболонок і такий штучний атом можна використовувати в якості надійно працює кубіта “- пишуть дослідники, -” Наші дослідження показали, що штучний атом з 13 електронами набагато стабільніший, 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”.