矽自旋量子比特
未來有望在量子計算領域發揮重要作用，因為它們可以利用現有半導體晶片的製造工藝來生產。然而，研究人員一直面臨一項重大挑戰：當多個矽量子比特同時受到控制時，其操作精度往往會下降。要構建實用的大型量子電腦，科學家必須在同時控制大量量子比特的同時，將誤差控制在最低水平。
日本理化學研究所（RIKEN）新興物質科學中心的研究人員與合作者，近期在解決這一問題上取得了重要進展。相關研究成果發表於《自然·物理學》（Nature Physics）期刊。該團隊成功展示了對多個矽自旋量子比特進行同步操控時的高精度控制。實驗中使用了一個由五個量子比特組成的陣列，這些量子比特共享同一條微波控制線。通過找出同步操作中導致誤差的主要原因，科學家們開發出一種技術來降低誤差，同時保持操作精度。
負責監督實驗的理化學研究所研究員、論文共同第一作者萊昂·卡門辛德（Leon Camenzind）解釋了這一成果的重要意義："這表明，即使同時操作多個量子比特，也能保持高精度控制，這是矽基量子處理器實現規模化擴展的重要一步。"
科學家發現量子計算誤差的隱藏來源
與傳統電腦以0或1的比特形式儲存資訊不同，量子電腦使用的量子比特可以同時處於兩種狀態的疊加組合中。矽自旋量子比特利用被限制在矽材料中的單個電子的自旋來儲存這些資訊。要實現可靠的量子計算，就需要對這些電子自旋進行極其精確的控制。
微波信號正是實現這種控制的手段，但同時操作多個量子比特會產生不良效應，干擾其操作精度。研究人員發現，這一問題的主要來源是一種名為"交流斯塔克位移"（AC Stark shift）的現象。
當微波控制信號改變量子比特的有效能級時，就會產生這種效應，從而導致其量子態相位發生變化。這些相位偏移會干擾單個量子比特原本預期的操作，尤其是在多個量子比特同時受控的情況下更為明顯。
為解決這一問題，研究團隊開發了一種校準方法來補償這些不必要的相位偏移。該技術並非對所有可能的量子比特組合分別進行校準，而是依賴於量子比特兩兩之間的校準，這使得該方法在量子比特數量較多的系統中更具實用性。
"我們的方法並不需要為每一種可能的量子比特組合單獨設計校準流程，而是利用量子比特兩兩之間的校準來補償不必要的相位偏移，"作為博士研究課題完成該實驗的論文第一作者吳宜賢（Yi-Hsien Wu）解釋道。
量子比特精度突破99.99%
研究人員將這一校準技術與改進的器件設計相結合，並對微波控制脈衝進行了精細調整。結果表明，即便在多個量子比特同時運行的情況下，系統仍能保持極高的精度。
當對五個量子比特分別進行單獨測試時，每個量子比特的單比特門操作精度均遠高於99.99%，其中最高的接近99.999%。這裡的"精度"指的是量子操作結果與預期目標的吻合程度。
隨後，研究團隊測試了多個量子比特同時工作時系統的整體表現。當最多三個量子比特同步運行時，精度仍保持在99.99%以上。即使全部五個量子比特同時受控，精度依然維持在約99.9%左右，已接近實現容錯量子計算所需的水平。
儘管該校準方法大幅降低了誤差，但並未將其完全消除。研究人員發現，剩餘的精度損失與"驅動誘導失相"（drive-induced decoherence）有關，這是由於同時操作多個量子比特所需更大微波功率而產生的一種效應。
與新技術所校正的不必要相位偏移不同，失相涉及的是可靠操作所需的脆弱量子相干性的喪失。
卡門辛德表示："這確實是一個局限，但進一步改進器件設計有望緩解這一誤差來源。"
邁向更大規模量子處理器的新路徑
這項研究表明，同時控制多個矽自旋量子比特並不一定意味著要犧牲精度。通過糾正一個關鍵的誤差來源，研究人員展示了一種通過共享微波控制線來操作更多量子比特的可行方案。
這對於大型量子處理器的發展尤為重要。如果為每個量子比特都配備獨立的控制系統，將使日益複雜的器件難以管理。共享控制線或許能提供一種更實用的方式，在保持量子計算所需精度的同時實現系統擴展。
"通過兩兩校準的方式解決了控制誤差的一個關鍵來源，"卡門辛德說，"我們的研究證明，採用共享控制線是實現量子處理器規模化擴展的一種可行方法。結合矽材料與現有半導體製造工藝的兼容性，我們相信這一進展將有助於推動開發出能夠執行日益複雜運算的更大規模量子處理器。"
更宏大的目標是開發出即便在存在誤差和干擾的情況下，也能可靠完成計算的量子電腦。這類被稱為"容錯量子電腦"的設備，需要對大量量子比特實現精確、可靠的控制。
"我們的長期目標是構建基於矽自旋量子比特的容錯量子電腦，而可靠的並行控制正是實現這一目標的關鍵一步，"隸屬於日本科學技術振興機構（JST）"登月計劃"（Moonshot）第六目標下矽基量子計算項目的負責人樽茶清悟（Seigo Tarucha）補充道。
