我们熟悉的化学元素周期表按照原子核外电子数排列，氢有1个电子，氦有2个，锂有3个……随着电子越来越多，它们会组成不同级别的轨道，称为“壳层”。

澳大利亚新南威尔士大学教授安德鲁•德祖拉克（Andrew Dzurak）团队自2013年起就在硅材料中制造没有原子核的“人造原子”，电子们在一个平面上围绕圆心旋转。他们发现，随着电子数的增加，这些人造原子的电子也会组成不同级别的壳层，表现出特定的规律。

该团队2月11日发表在英国《自然-通讯》杂志（Nature Communications）上的一篇论文称，人造原子的电子数越多，就能成为越稳定的“量子比特”，这意味着，它们有潜力用于量子计算机。

“这很重要，基于一个电子的量子比特非常脆弱。” 德祖拉克说道。

（小标题）人造原子

把电子人工组装成原子的想法并不新鲜，相关理论最早在1930年代就提出了，随后在1990年得到实验证明。

这类人造原子还有个更时髦的名字，叫做“量子点”。我们可以理解为，把半导体材料上的电子在三维方向上的运动都限制在很小的尺寸内，形成一个狭窄的电子“监牢”，近似为一个点。可以想象，由于能更精确地控制尺寸，量子点材料就能传输更细致的光谱，因而成为显示器领域的热点概念。

德祖拉克团队运用金属表面的门电极向硅施加电压，从硅中吸引出空余的电子，形成一个直径只有10纳米的量子点空间。

通过缓慢地增加电压，电子一个一个地被吸纳进量子点空间，组成了一个人造原子。

门电极和硅被一道氧化硅材料的绝缘屏障隔断。在自然界的原子中，原子核带正电荷，带负电荷的电子围绕它旋转，形成球形的三维轨道。而在人造原子中，由于正电荷来自于门电极，电子们就会悬浮在绝缘屏障下，围绕中心旋转，形成了一个圆盘平面。

（小标题）量子比特

该研究团队最感兴趣的是最外壳层上只有一个电子的人造原子，相当于自然界中的氢、锂、钾等元素。

研究人员表示，如果在量子点中制造出“人造氢原子”、“人造锂原子”、“人造钠原子”时，最外壳层上的孤电子就能拿来做量子比特。

经典计算机用晶体管存储一“位”信息，晶体管的开关状态分别表示0和1，而在量子计算机上，得益于叠加态，一个量子比特上能同时存储0和1。

这种叠加的0和1可以用电子的自旋方向来编码，就像一块磁铁指向南极或北极。

德祖拉克解释道，不管在自然原子还是人造原子中，如果电子填满了每一壳层，那整个原子的总自旋就会被相互抵消掉。但如果最外层有个孤电子，人们就可以控制它的自旋，实现量子计算。

2015年，德祖拉克团队在世界上首次用基于硅材料的两个量子比特，制作了一个可以计算的量子逻辑门。

不过，大规模的量子计算机比这复杂得多。下一步，该团队计划研究这些人造原子之间的化学键怎么组成“人造分子”，没准能实现多量子比特计算的逻辑门。