2026年6月5日——自旋量子比特（将量子信息编码在电子的自旋状态中）是量子计算最有前景的平台之一。自旋量子比特具有较长的相干时间，并且与先进的半导体制造技术兼容。自旋量子比特的主要实现方式涉及量子点内的受限电子，这是一种类似可控人造原子的纳米级半导体结构。最近的进展使得单量子比特门和双量子比特门能够实现高保真度操作，超过了某些表面码量子纠错技术所需的阈值。

然而，为了实现实用的容错量子计算，必须解决自旋量子比特门的变异性问题。其中一个关键挑战是由微观噪声源引起的量子比特共振频率波动。有效的量子比特操作需要恒定的量子比特共振频率 fq（也称为“拉莫尔频率”）。近期研究表明，用于控制量子比特的微波信号会产生热量，从而导致 fq 发生偏移。具体来说，fq 在低温下会急剧增加，然后在较高温度下逐渐降低。这种非单调的温度依赖性会破坏共振，从而降低门保真度。令人惊讶的是，先前的研究表明，较高的温度（200 毫开尔文，而非标准的 20 毫开尔文）可以减轻 fq 偏移对门保真度的影响。尽管这一现象很重要，但其微观起源至今仍不清楚。

在一项近期研究中，由东京理科大学电气工程系的 Kawahara Takayuki 教授领导，来自东京理科大学和日本产业技术综合研究所的合作研究团队，最终阐明了影响硅自旋量子比特性能的噪声机制。通过将理论建模与对双能级涨落器产生的电荷噪声进行的大规模统计模拟相结合，他们展示了较高温度如何能够提高门保真度。

Kawahara 教授解释说：“已经提出了几种候选机制来解释量子比特或拉莫尔频率偏移的起源。其中，电荷噪声模型似乎最有前景，因为它能够重现 fq 偏移的关键特征。在这项研究中，我们聚焦于电荷噪声模型，以阐明 fq 偏移温度依赖性的起源，并分析能够减轻其对门保真度影响的量子比特制造方法。”他们的研究于 2026 年 5 月 4 日发表在《IEEE Access》期刊第 14 卷上。

研究团队开发了一个自旋量子比特模型，其中电子被限制在由硅/硅锗双异质结构形成的量子点内。在外部施加的磁场梯度下，使用微波控制来操控电子自旋。利用这一框架，研究人员统计模拟了位于半导体/氧化物界面附近的许多双能级涨落器的影响。

他们系统性地改变了一系列双能级涨落器参数设置，包括空间分布、激活能分布、最小过渡时间以及开关时间的温度依赖性。研究团队总共评估了 108 个参数集，每个参数集包含 5000 个随机生成的双能级涨落器配置。

对于每个参数集，他们随后计算了量子比特频率偏移，并分析了温度依赖性以及 X 量子比特门的保真度。分析表明，当双能级涨落器的激活能遵循指数分布、最小开关时间短、且开关速率具有很强的温度依赖性时，实验观测结果能得到最佳重现。在这些条件下，该模型成功重现了实验观测到的量子比特频率偏移的非单调温度依赖性。门保真度模拟进一步表明，当过渡时间远小于门时间且参数表现出陡峭的温度转变时，在 200 毫开尔文下会出现保真度提升。

重要的是，基于这些发现，研究人员得出结论：导带与陷阱态之间的电子跃迁（涉及产生/复合或带边陷阱过程）是相关双能级涨落器及相应的量子比特频率偏移最可能的起源，而非较慢的原子尺度结构运动。这一发现为硅自旋量子比特中电荷噪声的微观起源提供了新的见解。

Kawahara 教授评论道：“我们的发现凸显了在提高未来大规模硅量子处理器的门保真度方面，控制半导体/氧化物界面陷阱态以及采用能稳定量子比特频率的制造工艺的重要性。这将对开发具有更低噪声的实用大规模量子计算机做出重要贡献。”

总体而言，这项研究为提高自旋量子比特门性能提供了重要见解，让我们离实现大规模容错量子计算更近了一步。