研究人员成功通过单一微波控制线同时操作五个硅量子位，准确度达 99.9%

量子计算机的性能不仅取决于其包含的量子比特数量，还取决于它们能够多准确地协同工作。最近，研究人员展示了一种方法，通过单一微波控制线同时操作五个基于硅的量子比特，并将操作准确度保持在 99.9%或以上。这种方法可能有助于未来的量子处理器更容易扩展，而无需为每个量子比特设置单独的控制线。然而，控制多个量子比特并不是仅仅发送微波信号那么简单。量子计算机需要进行并行操作，以运行错误纠正例程，这有助于保护脆弱的量子信息。

然而，用于控制一个量子比特的信号可能会干扰其邻近的量子比特，从而降低它们的操作准确性。在早期的实验中，这个问题导致门的保真度——量子操作执行的准确性度量——从 99.95%下降至约 99.5%。研究人员指出：“在硅设备中，同时控制仍然是一个主要挑战，因为在并行操作下保真度通常会降低。”

控制多个量子比特的挑战

来自日本 RIKEN 及其合作机构的研究人员现在已经确定了这种干扰的主要来源，并开发了一种补偿方法。这种隐藏的频率偏移使量子比特失去正确方向。研究团队使用的是五个由电子自旋组成的量子比特，这些电子自旋被困在称为量子点的微小结构中，并且位于硅/硅锗设备内。研究人员补充道：“硅自旋量子比特特别提供了一条可扩展量子计算的有希望的道路，因为它们与工业半导体制造兼容。”微波信号控制这些量子比特，但针对一个量子比特的信号也可能影响其邻近的量子比特。

这种不必要的影响称为串扰，即使邻近的量子比特并非目标，仍然可能使量子操作的准确性降低。研究人员追踪到这种干扰的主要来源是称为 AC Stark 偏移的现象。微波信号可以改变邻近量子比特的有效能量水平，改变其量子状态的演变过程。这会产生不必要的相位偏移——描述量子状态的波的相对时间变化，这会使预期的操作偏离正确方向。

研究团队发现，这些相位偏移可以通过测量个别量子比特对彼此的影响来预测。他们利用这些测量结果，在多个量子比特一起运行时补偿不必要的变化，避免了需要单独校准每一种可能的组合。研究的第一作者吴怡贤解释道：“我们的方法通过量子比特对之间的校准来补偿不必要的相位偏移，而不需要对每一种可能的量子比特组合进行完全独立的校准程序。”结果显示了该方法的有效性。在单独操作时，五个量子比特的门保真度超过 99.99%，最好的接近 99.999%。

未来扩展的潜力与挑战

当最多三个量子比特同时运行时，它们的保真度仍保持在 99.99%以上。即使当五个量子比特同时运行时，其门保真度也保持在 99.9%或以上。这种准确度达到了容错量子计算的广泛使用基准，在这种情况下，错误纠正技术帮助保护计算免受错误影响。然而，这并不意味着研究人员已经建成了一台完全容错的量子计算机。

使用共享的微波线路可以减少大型处理器所需的控制连接数量，节省空间，并可能减少控制硬件产生的热量。研究人员将这种方法视为未来可能包含约十个量子比特的模块的基础，尽管这种较大的配置仍然是一个未来目标，而不是已证明的结果。其他挑战仍然存在。更强的微波信号可以加速操作，但也会引入不必要的扰动，干扰量子比特的微妙量子状态。团队提议通过将微小的磁铁集成到芯片的接线层中来改进用于控制电子自旋的微小磁铁。

这些改进的磁铁可以产生更强的局部磁场，潜在地允许以较低的微波功率进行更快速的操作。目前，这一成就解决了扩展硅量子计算机的一个障碍：在多个量子比特共同运行时保持准确控制。在能够支持实用的容错量子计算之前，将这种方法扩展到更大的阵列并控制其他错误来源将是至关重要的。该研究发表在《自然物理学》期刊上。

项目	规格
量子比特数量	5
门保真度	超过 99.99%
相位偏移补偿方法	基于量子比特对的校准

提升量子计算准确性的关键突破

研究人员成功通过单一微波控制线同时操作五个硅量子位，显示出在量子计算领域的重要进展。这项技术不仅提高了操作准确度，还有助于减少大型量子处理器所需的控制连接数量，从而节省空间和降低热量产生。随着量子计算的需求日益增加，这项研究提供了一条可扩展的路径，为未来的量子计算机奠定基础。然而，仍需克服其他技术挑战，以实现更大规模的量子计算应用。