科学家攻克硅量子比特并行控制难题，精度突破99.9%

硅自旋量子比特未来有望在量子计算领域发挥重要作用，因为它们可以利用现有半导体芯片的制造工艺来生产。然而，研究人员一直面临一项重大挑战：当多个硅量子比特同时受到控制时，其操作精度往往会下降。要构建实用的大型量子计算机，科学家必须在同时控制大量量子比特的同时，将误差控制在最低水平。

日本理化学研究所（RIKEN）新兴物质科学中心的研究人员与合作者，近期在解决这一问题上取得了重要进展。相关研究成果发表于《自然·物理学》（Nature Physics）期刊。该团队成功展示了对多个硅自旋量子比特进行同步操控时的高精度控制。实验中使用了一个由五个量子比特组成的阵列，这些量子比特共享同一条微波控制线。通过找出同步操作中导致误差的主要原因，科学家们开发出一种技术来降低误差，同时保持操作精度。

负责监督实验的理化学研究所研究员、论文共同第一作者莱昂·卡门辛德（Leon Camenzind）解释了这一成果的重要意义："这表明，即使同时操作多个量子比特，也能保持高精度控制，这是硅基量子处理器实现规模化扩展的重要一步。"

科学家发现量子计算误差的隐藏来源

与传统计算机以0或1的比特形式存储信息不同，量子计算机使用的量子比特可以同时处于两种状态的叠加组合中。硅自旋量子比特利用被限制在硅材料中的单个电子的自旋来存储这些信息。要实现可靠的量子计算，就需要对这些电子自旋进行极其精确的控制。

微波信号正是实现这种控制的手段，但同时操作多个量子比特会产生不良效应，干扰其操作精度。研究人员发现，这一问题的主要来源是一种名为"交流斯塔克位移"（AC Stark shift）的现象。

当微波控制信号改变量子比特的有效能级时，就会产生这种效应，从而导致其量子态相位发生变化。这些相位偏移会干扰单个量子比特原本预期的操作，尤其是在多个量子比特同时受控的情况下更为明显。

为解决这一问题，研究团队开发了一种校准方法来补偿这些不必要的相位偏移。该技术并非对所有可能的量子比特组合分别进行校准，而是依赖于量子比特两两之间的校准，这使得该方法在量子比特数量较多的系统中更具实用性。

"我们的方法并不需要为每一种可能的量子比特组合单独设计校准流程，而是利用量子比特两两之间的校准来补偿不必要的相位偏移，"作为博士研究课题完成该实验的论文第一作者吴宜贤（Yi-Hsien Wu）解释道。

量子比特精度突破99.99%

研究人员将这一校准技术与改进的器件设计相结合，并对微波控制脉冲进行了精细调整。结果表明，即便在多个量子比特同时运行的情况下，系统仍能保持极高的精度。

当对五个量子比特分别进行单独测试时，每个量子比特的单比特门操作精度均远高于99.99%，其中最高的接近99.999%。这里的"精度"指的是量子操作结果与预期目标的吻合程度。

随后，研究团队测试了多个量子比特同时工作时系统的整体表现。当最多三个量子比特同步运行时，精度仍保持在99.99%以上。即使全部五个量子比特同时受控，精度依然维持在约99.9%左右，已接近实现容错量子计算所需的水平。

尽管该校准方法大幅降低了误差，但并未将其完全消除。研究人员发现，剩余的精度损失与"驱动诱导失相"（drive-induced decoherence）有关，这是由于同时操作多个量子比特所需更大微波功率而产生的一种效应。

与新技术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丧失。

卡门辛德表示："这确实是一个局限，但进一步改进器件设计有望缓解这一误差来源。"

迈向更大规模量子处理器的新路径

这项研究表明，同时控制多个硅自旋量子比特并不一定意味着要牺牲精度。通过纠正一个关键的误差来源，研究人员展示了一种通过共享微波控制线来操作更多量子比特的可行方案。

这对于大型量子处理器的发展尤为重要。如果为每个量子比特都配备独立的控制系统，将使日益复杂的器件难以管理。共享控制线或许能提供一种更实用的方式，在保持量子计算所需精度的同时实现系统扩展。

"通过两两校准的方式解决了控制误差的一个关键来源，"卡门辛德说，"我们的研究证明，采用共享控制线是实现量子处理器规模化扩展的一种可行方法。结合硅材料与现有半导体制造工艺的兼容性，我们相信这一进展将有助于推动开发出能够执行日益复杂运算的更大规模量子处理器。"

更宏大的目标是开发出即便在存在误差和干扰的情况下，也能可靠完成计算的量子计算机。这类被称为"容错量子计算机"的设备，需要对大量量子比特实现精确、可靠的控制。

"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，而可靠的并行控制正是实现这一目标的关键一步，"隶属于日本科学技术振兴机构（JST）"登月计划"（Moonshot）第六目标下硅基量子计算项目的负责人樽茶清悟（Seigo Tarucha）补充道。