2026年10月16日——硅自旋量子比特是构建可扩展量子计算机的一种有前景的平台，因为它们与用于生产当今计算机芯片的半导体制造技术兼容。然而，它们有一个重要弱点：当多个量子比特处于并行控制下时，硅自旋量子比特通常会损失精度。为了发挥作用，量子计算机需要同时操作许多量子比特，同时不损害其操作的准确性。

现在，在一项发表于《自然·物理学》的研究中，来自理化学研究所创发物性科学研究中心的研究人员及其合作者通过实现对并行运行的多个硅自旋量子比特的高保真度控制，解决了这一挑战。他们使用一个通过单条共享微波线控制的五量子比特硅阵列，识别出量子比特同时操作期间的一个关键误差来源，并开发出一种减轻其影响的方法。据理化学研究所研究科学家、共同第一作者、负责监督这些实验的Leon Camenzind表示：“这表明，即使同时操作多个量子比特，也能保持高保真度控制，这是朝着扩展硅基量子处理器迈出的重要一步。”

揭示控制误差背后的元凶

量子计算机使用量子比特（qubit）处理信息，量子比特表示常规二进制状态0和1的组合。在硅自旋量子比特中，信息编码在束缚于硅衬底中的电子自旋上。精确控制这些自旋对于执行量子操作至关重要。然而，同时向多个量子比特施加微波控制信号会引入误差，降低计算精度。

研究人员首先发现，这种性能下降的主要来源是由微波控制信号诱导的所谓AC斯塔克位移现象。这种效应会改变量子比特的有效能级，使其量子态的相位发生偏移，并降低其操作精度。当多个量子比特被同时驱动时，这些位移会干扰对每个量子比特的预期控制。

为解决这一问题，团队开发了一种基于相位校准的可扩展缓解协议。“我们的方法不需要为量子比特的每一种可能组合单独进行完整的校准程序，而是利用量子比特对之间的校准来补偿非预期的相位偏移，”Yi-Hsien Wu解释道，他是第一作者，在博士研究期间开展了这些实验。

在并行操作期间保持精度

借助优化的器件设计和经过仔细校准的微波控制脉冲，团队在五个量子比特分别单独操作时，每个量子比特的单量子比特门保真度均远高于99.99%，最佳接近99.999%。保真度衡量量子操作的执行准确程度。重要的是，通过使用该协议，他们在最多三个量子比特同时操作时实现了高于99.99%的保真度。在全部五个量子比特并行操作期间，保真度保持在约99.9%，这一水平接近容错量子计算的实际要求。

剩余的保真度下降被归因于驱动诱导退相干，其由同时操作所需的更高微波功率引起。与新校准协议所处理的相位偏移不同，这种效应涉及量子相干性的损失。Camenzind表示：“这是一个限制，但进一步改进器件设计可能有助于减轻这一误差来源。”

迈向可扩展的硅量子处理器

结果表明，当硅自旋量子比特并行运行时，不必牺牲高保真度控制。“通过成对校准解决控制误差的一个关键来源，”Camenzind说，“我们的研究支持将共享控制线作为扩展量子处理器的一种实用方法。结合硅与成熟半导体制造技术的兼容性，我们相信这一进展可能有助于为能够执行日益复杂计算的更大规模量子处理器铺平道路。”

“我们的长期目标是构建基于硅自旋量子比特的容错量子计算机，而可靠的并行控制是实现该目标的关键一步，”Seigo Tarucha补充道，他是JST“Moonshot Goal 6”下硅量子计算项目的项目负责人。