研究人員成功透過單一微波控制線同時操作五個矽量子位，準確度達 99.9%

量子計算機的性能不僅取決於其包含的量子比特數量，還取決於它們能夠多準確地協同工作。最近，研究人員展示了一種方法，通過單一微波控制線同時操作五個基於矽的量子比特，並將操作準確度保持在 99.9%或以上。這種方法可能有助於未來的量子處理器更容易擴展，而無需為每個量子比特設置單獨的控制線。然而，控制多個量子比特並不是僅僅發送微波信號那麼簡單。量子計算機需要進行並行操作，以運行錯誤糾正例程，這有助於保護脆弱的量子資訊。

然而，用於控制一個量子比特的信號可能會干擾其鄰近的量子比特，從而降低它們的操作準確性。在早期的實驗中，這個問題導致門的保真度——量子操作執行的準確性度量——從 99.95%下降至約 99.5%。研究人員指出：「在矽設備中，同時控制仍然是一個主要挑戰，因為在並行操作下保真度通常會降低。」

控制多個量子比特的挑戰

來自日本 RIKEN 及其合作機構的研究人員現在已經確定了這種幹擾的主要來源，並開發了一種補償方法。這種隱藏的頻率偏移使量子比特失去正確方向。研究團隊使用的是五個由電子自旋組成的量子比特，這些電子自旋被困在稱為量子點的微小結構中，並且位於矽/矽鍺設備內。研究人員補充道：「矽自旋量子比特特別提供了一條可擴展量子計算的有希望的道路，因為它們與工業半導體製造兼容。」微波信號控制這些量子比特，但針對一個量子比特的信號也可能影響其鄰近的量子比特。

這種不必要的影響稱為串擾，即使鄰近的量子比特並非目標，仍然可能使量子操作的準確性降低。研究人員追蹤到這種幹擾的主要來源是稱為 AC Stark 偏移的現象。微波信號可以改變鄰近量子比特的有效能量水平，改變其量子狀態的演變過程。這會產生不必要的相位偏移——描述量子狀態的波的相對時間變化，這會使預期的操作偏離正確方向。

研究團隊發現，這些相位偏移可以通過測量個別量子比特對彼此的影響來預測。他們利用這些測量結果，在多個量子比特一起運行時補償不必要的變化，避免了需要單獨校準每一種可能的組合。研究的第一作者吳怡賢解釋道：「我們的方法通過量子比特對之間的校準來補償不必要的相位偏移，而不需要對每一種可能的量子比特組合進行完全獨立的校準程序。」結果顯示了該方法的有效性。在單獨操作時，五個量子比特的門保真度超過 99.99%，最好的接近 99.999%。

未來擴展的潛力與挑戰

當最多三個量子比特同時運行時，它們的保真度仍保持在 99.99%以上。即使當五個量子比特同時運行時，其門保真度也保持在 99.9%或以上。這種準確度達到了容錯量子計算的廣泛使用基準，在這種情況下，錯誤糾正技術幫助保護計算免受錯誤影響。然而，這並不意味著研究人員已經建成了一台完全容錯的量子計算機。

使用共享的微波線路可以減少大型處理器所需的控制連接數量，節省空間，並可能減少控制硬件產生的熱量。研究人員將這種方法視為未來可能包含約十個量子比特的模塊的基礎，儘管這種較大的配置仍然是一個未來目標，而不是已證明的結果。其他挑戰仍然存在。更強的微波信號可以加速操作，但也會引入不必要的擾動，幹擾量子比特的微妙量子狀態。團隊提議通過將微小的磁鐵集成到晶片的接線層中來改進用於控制電子自旋的微小磁鐵。

這些改進的磁鐵可以產生更強的局部磁場，潛在地允許以較低的微波功率進行更快速的操作。目前，這一成就解決了擴展矽量子計算機的一個障礙：在多個量子比特共同運行時保持準確控制。在能夠支持實用的容錯量子計算之前，將這種方法擴展到更大的陣列並控制其他錯誤來源將是至關重要的。該研究發表在《自然物理學》期刊上。

項目	規格
量子比特數量	5
門保真度	超過 99.99%
相位偏移補償方法	基於量子比特對的校準

提升量子計算準確性的關鍵突破

研究人員成功透過單一微波控制線同時操作五個矽量子位，顯示出在量子計算領域的重要進展。這項技術不僅提高了操作準確度，還有助於減少大型量子處理器所需的控制連接數量，從而節省空間和降低熱量產生。隨著量子計算的需求日益增加，這項研究提供了一條可擴展的路徑，為未來的量子計算機奠定基礎。然而，仍需克服其他技術挑戰，以實現更大規模的量子計算應用。