研究者は単一のマイクロ波制御線を通じて、同時に5つのシリコン量子ビットを操作し、精度99.9%を達成した。

量子コンピュータの性能は、含まれる量子ビットの数だけでなく、それらがどれだけ正確に協調して動作できるかにも依存する。最近、研究者は単一のマイクロ波制御線を通じて、同時に5つのシリコンベースの量子ビットを操作し、操作精度を99.9%以上に保つ方法を示した。この方法は、将来の量子プロセッサの拡張を容易にする可能性があり、各量子ビットに対して個別の制御線を設ける必要がなくなる。しかし、複数の量子ビットを制御することは、単にマイクロ波信号を送信するだけでは簡単ではない。量子コンピュータは、エラー訂正ルーチンを実行するために並列操作を行う必要があり、これにより脆弱な量子情報を保護することができる。

しかし、1つの量子ビットを制御するための信号が隣接する量子ビットに干渉し、それにより操作精度が低下する可能性がある。初期の実験では、この問題によりゲートの忠実度——量子操作の実行精度の指標——が99.95%から約99.5%に低下した。研究者は、「シリコンデバイスにおいて、同時制御は依然として主要な課題であり、並列操作の下では忠実度が通常低下する」と指摘している。

複数の量子ビットを制御する際の課題

日本のRIKENとその協力機関の研究者は、現在この干渉の主要な原因を特定し、補償方法を開発した。この隠れた周波数偏移は、量子ビットが正しい方向を失う原因となる。研究チームは、電子スピンから構成される5つの量子ビットを使用しており、これらの電子スピンは量子ドットと呼ばれる微小構造に閉じ込められ、シリコン/シリコンゲルマニウムデバイス内に位置している。研究者は、「シリコンスピン量子ビットは、工業用半導体製造と互換性があるため、スケーラブルな量子計算への有望な道を提供する」と補足している。マイクロ波信号はこれらの量子ビットを制御するが、1つの量子ビットに対する信号が隣接する量子ビットにも影響を与える可能性がある。

この不必要な影響はクロストークと呼ばれ、隣接する量子ビットがターゲットでなくても、量子操作の精度を低下させる可能性がある。研究者は、この干渉の主要な原因がAC Stark偏移と呼ばれる現象であることを追跡した。マイクロ波信号は隣接する量子ビットの有効エネルギーレベルを変化させ、その量子状態の進化過程を変えることができる。これにより不必要な位相偏移が生じ、量子状態を記述する波の相対的な時間変化が期待される操作から逸脱することになる。

研究チームは、これらの位相偏移を個別の量子ビットが互いに与える影響を測定することで予測できることを発見した。彼らはこれらの測定結果を利用して、複数の量子ビットが同時に動作する際に不必要な変化を補償し、すべての可能な組み合わせを個別にキャリブレーションする必要を回避した。研究の第一著者である呉怡賢は、「私たちの方法は、量子ビット間のキャリブレーションを通じて不必要な位相偏移を補償し、各量子ビットの組み合わせに対して完全に独立したキャリブレーション手順を必要としない」と説明している。結果はこの方法の有効性を示しており、個別に操作した場合、5つの量子ビットのゲート忠実度は99.99%を超え、最良のものは99.999%に達した。

将来の拡張の可能性と課題

最大3つの量子ビットが同時に動作する場合、その忠実度は99.99%以上を維持している。5つの量子ビットが同時に動作する場合でも、そのゲート忠実度は99.9%以上を維持している。この精度は、エラー訂正技術が計算をエラーの影響から保護するのに役立つ、広く使用される耐障害量子計算の基準に達している。しかし、これは研究者が完全に耐障害の量子コンピュータを構築したことを意味するわけではない。

共有のマイクロ波回路を使用することで、大型プロセッサに必要な制御接続の数を減らし、スペースを節約し、制御ハードウェアから発生する熱を減少させる可能性がある。研究者はこの方法を、将来的に約10個の量子ビットを含むモジュールの基盤と見なしているが、このような大規模な構成は依然として将来の目標であり、証明された結果ではない。他の課題も残っている。より強力なマイクロ波信号は操作を加速できるが、不必要な擾乱を引き起こし、量子ビットの微妙な量子状態に干渉する可能性がある。チームは、電子スピンを制御するための小型の磁石をチップの接続層に統合することで改善を提案している。

これらの改良された磁石は、より強い局所磁場を生成し、低いマイクロ波出力でより迅速な操作を可能にする可能性がある。現在、この成果は、複数の量子ビットが同時に動作する際に正確な制御を維持するという、シリコン量子コンピュータの拡張における障害を解決している。実用的な耐障害量子計算をサポートできるようになる前に、この方法をより大規模な配列に拡張し、他のエラー源を制御することが重要である。この研究は『Nature Physics』誌に発表された。

項目	仕様
量子ビット数	5
ゲート忠実度	99.99%以上
位相偏移補償方法	量子ビット対のキャリブレーションに基づく

量子計算の精度向上に向けた重要な突破口

研究者は単一のマイクロ波制御線を通じて同時に5つのシリコン量子ビットを操作することに成功し、量子計算分野における重要な進展を示した。この技術は操作精度を向上させるだけでなく、大型量子プロセッサに必要な制御接続の数を減少させ、スペースを節約し、熱の発生を抑えるのに寄与する。量子計算の需要が高まる中、この研究は将来の量子コンピュータの基盤を築くスケーラブルな道を提供している。しかし、より大規模な量子計算の応用を実現するためには、他の技術的課題を克服する必要がある。