RIKEN Mengawal Lima Qubit Silikon Melalui Satu Talian Gelombang Mikro Kongsi dengan Ketepatan Tinggi

Satu talian kawalan, lima qubit dan penyelesaian bagi gangguan yang tidak diingini

Penyelidik di Pusat Sains Materi Muncul RIKEN di Jepun dan rakan usaha sama mereka mengendalikan lima bit kuantum silikon melalui satu talian gelombang mikro kongsi sambil mengekalkan ketepatan operasi setiap qubit pada kira-kira 99.9% atau lebih. Apabila sehingga tiga qubit beroperasi serentak, ketepatan setiap satu melebihi 99.99%, sekali gus menangani masalah yang menyukarkan kawalan pemproses kuantum silikon yang lebih besar.

Kajian itu, yang diterbitkan dalam Nature Physics pada 15 Oktober 2026, mengenal pasti isyarat gelombang mikro itu sendiri sebagai punca utama gangguan. Isyarat yang ditujukan kepada satu qubit mengubah keadaan operasi qubit lain. Pasukan itu mengukur perubahan yang tidak diingini antara pasangan qubit, kemudian melaraskan isyarat kawalan untuk mengimbanginya.

Hasil kajian itu menghubungkan dua masalah yang perlu diselesaikan serentak: mengekalkan ketepatan operasi kuantum dan mengurangkan jumlah pendawaian yang diperlukan untuk mengawal pemproses yang semakin besar. Satu talian gelombang mikro memudahkan seni bina kawalan, manakala kaedah penentukuran membantu mengekalkan ketepatan apabila beberapa qubit beroperasi serentak.

Leon Camenzind, saintis penyelidikan RIKEN dan pengarang bersama pertama yang menyelia eksperimen itu, menghuraikan kemajuan tersebut dalam kenyataan media bahasa Inggeris RIKEN bertarikh 16 Oktober.

Ini menunjukkan bahawa kawalan kesetiaan tinggi dapat dikekalkan walaupun beberapa qubit beroperasi pada masa yang sama, dan merupakan langkah penting ke arah memperbesar skala pemproses kuantum berasaskan silikon.

Maksud angka ketepatan

Makalah Nature Physics bertajuk "Simultaneous High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Spin Qubit Array" melaporkan ukuran operasi asas yang dipanggil get. Get mengubah keadaan kuantum sesuatu qubit. Kesetiaan menerangkan sejauh mana operasi itu menepati hasil yang dimaksudkan.

Kesetiaan get bagi setiap satu daripada kelima-lima qubit secara berasingan jauh melebihi 99.99%, dengan sesetengahnya menghampiri 99.999%. Pasukan itu mengekalkan kesetiaan melebihi 99.99% ketika sehingga tiga qubit beroperasi serentak. Bagi kelima-lima qubit yang beroperasi bersama, makalah itu melaporkan prestasi pada 99.9% atau lebih; RIKEN merumuskan hasil itu sebagai kira-kira 99.9%.

Perbezaan pada angka perpuluhan tambahan itu penting. Jika kesetiaan ditolak daripada 100%, hasilnya ialah ukuran purata ralat get: 99.9% bersamaan 0.1%, manakala 99.99% bersamaan 0.01%. Peralihan antara dua tahap itu mengurangkan ukuran tersebut sebanyak sepuluh kali ganda. Pembetulan ralat kuantum sangat bergantung pada usaha mengekalkan ralat sedemikian pada tahap rendah merentasi banyak operasi.

Pasukan itu mengukur get asas X dan Y, yang memutarkan keadaan qubit individu pada paksi yang berbeza. Get ini ialah blok binaan bagi litar kuantum. Mengendalikan beberapa get ini serentak membolehkan bahagian berlainan pemproses berfungsi bersama, bukannya menunggu giliran.

Cara peranti silikon berfungsi

Kelima-lima qubit itu berada dalam kawasan kecil yang dipanggil titik kuantum, dalam struktur yang diperbuat daripada silikon dan silikon germanium. Elektrod logam membentuk dan mengawal kawasan terkurung ini. Maklumat dikodkan dalam spin elektron, iaitu sifat kuantum yang boleh dimanipulasi menggunakan isyarat gelombang mikro.

Peranti itu menggunakan silikon yang diperkaya dengan isotop silikon-28. Pengumuman penyelidikan dalam bahasa Jepun RIKEN menjelaskan bahawa silikon-28 tidak mempunyai spin nuklear, sekali gus membantu menyediakan persekitaran magnet yang lebih stabil bagi spin elektron yang membawa maklumat.

Tiga lapisan elektrod aluminium yang bertindih membentuk susunan itu. Magnet kobalt kecil menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah merentasi peranti, lalu memberikan frekuensi operasi kepada qubit bersebelahan yang berbeza kira-kira 150 megahertz. Perbezaan frekuensi itu membolehkan penyelidik menyasarkan qubit individu walaupun semuanya berkongsi elektrod gelombang mikro.

Talian kongsi itu membawa denyutan gelombang mikro gabungan yang ditujukan kepada qubit berlainan. Elektrod berasingan masih menjalankan tugas lain, termasuk membentuk titik kuantum dan melaraskan interaksi antara titik tersebut. Pengurangan pendawaian melibatkan infrastruktur kawalan gelombang mikro, yang merupakan salah satu bahagian sukar dalam memperbesar skala pemproses jenis ini.

Mengapa qubit tidak boleh bergilir-gilir sahaja

Qubit spin silikon kehilangan hubungan tepat antara komponen dalam keadaan kuantumnya ketika menunggu. Kehilangan ini, yang dipanggil penyahfasa, boleh merosakkan maklumat sebelum operasi seterusnya bermula. Dalam peranti ini, purata masa penyahfasa ketika melahu ialah kira-kira 10.3 mikrosaat, atau 10.3 juta saat.

Makalah itu melaporkan masa koheren kira-kira 100 mikrosaat semasa operasi berpacu, sekitar sepuluh kali ganda masa penyahfasa ketika melahu. Pengukuran gema Hahn, yang menggunakan jujukan kawalan untuk mengimbangi beberapa bentuk penyahfasa, memberikan purata kira-kira 60 mikrosaat. Setiap ukuran menggambarkan qubit dalam keadaan operasi yang berbeza.

Tempoh yang singkat itu menjadikan kawalan selari satu keperluan praktikal. Jika pemproses besar mengendalikan setiap qubit secara bergilir-gilir, banyak qubit lain akan membuang masa yang berharga dalam keadaan melahu. Pembetulan ralat kuantum juga memerlukan operasi terselaras merentasi kumpulan qubit untuk mengesan dan mengurus ralat.

Kawalan selari sebelum ini mengakibatkan penalti dari segi ketepatan. Makalah Nature Physics itu memetik eksperimen terdahulu terhadap silikon dan silikon germanium, yang menunjukkan kesetiaan merosot daripada 99.95% kepada 99.5% apabila hanya dua qubit beroperasi serentak. Pasukan RIKEN menyiasat punca fizikal kemerosotan itu dan cara untuk mengimbanginya.

Kesan gelombang mikro di sebalik ralat

Penyelidik mengenal pasti anjakan Stark AC sebagai punca utama kemerosotan ketepatan semasa kawalan selari. Medan gelombang mikro boleh mengubah aras tenaga berkesan sesuatu qubit walaupun frekuensinya berbeza daripada frekuensi yang digunakan untuk menyasarkan qubit itu.

Fasa qubit menggambarkan hubungan antara komponen keadaan kuantumnya. Perubahan pada pemisahan tenaga mengubah cara fasa itu berkembang mengikut masa. Anjakan fasa yang tidak dijangka bermakna denyutan kawalan seterusnya bertindak pada keadaan yang telah menyimpang daripada kedudukan yang dimaksudkan penyelidik.

Pasukan itu mengukur gangguan ini secara langsung antara qubit berlabel Q3 dan Q4. Pemacuan Q4 menghasilkan anjakan fasa kira-kira 0.0379 radian pada Q3, manakala pemacuan Q3 menghasilkan anjakan kira-kira tolak 0.0026 radian pada Q4. Kesan yang tidak sama itu mencerminkan perbezaan kuasa gelombang mikro yang diperlukan untuk mengendalikan kedua-dua qubit pada kelajuan yang sama.

Anjakan fasa meningkat kira-kira mengikut kuasa dua amplitud pemacuan. Secara ringkas, penggandaan amplitud boleh menghasilkan anjakan fasa kira-kira empat kali ganda berdasarkan hubungan yang diukur. Oleh itu, isyarat kawalan yang lebih kuat meningkatkan keperluan untuk mengimbanginya dengan teliti.

Ukuran berpasangan mengurangkan beban penentukuran yang semakin besar

Yi-Hsien Wu, pengarang pertama yang menjalankan eksperimen itu semasa penyelidikan PhD-nya, menjelaskan cara pasukan itu mengurangkan jumlah penentukuran yang diperlukan apabila lebih banyak qubit beroperasi serentak.

Daripada memerlukan prosedur penentukuran yang berasingan sepenuhnya bagi setiap kemungkinan gabungan qubit, kaedah kami menggunakan penentukuran antara pasangan qubit untuk mengimbangi anjakan fasa yang tidak diingini.

Penyelidik mengukur bagaimana operasi satu qubit mengubah fasa qubit yang lain. Mereka kemudian menjumlahkan sumbangan individu itu untuk mengira pembetulan yang diperlukan apabila beberapa qubit beroperasi serentak. Pelarasan fasa gelombang mikro membatalkan anjakan utama yang tidak diingini. Pasukan itu turut menentukur amplitud denyutan untuk membetulkan putaran yang terlalu besar atau terlalu kecil.

Ujian melibatkan Q2, Q3 dan Q4 menyokong pendekatan itu. Fasa yang terkumpul pada Q3 apabila kedua-dua jirannya beroperasi serentak sepadan dengan jumlah kesan yang diukur daripada setiap jiran secara berasingan. Semasa kelima-lima qubit beroperasi, penentukuran berpasangan memberikan prestasi yang sama baik dengan penentukuran penuh yang mengukur setiap qubit ketika empat qubit yang lain dipacu.

Pracetak Julai 2025 pasukan itu menerangkan bahawa beban penentukuran meningkat secara kuadratik mengikut bilangan qubit, bukannya secara eksponen. Secara kasar, penggandaan bilangan qubit akan meningkatkan beban kerja berpasangan kira-kira empat kali ganda. Pengukuran setiap kemungkinan gabungan operasi akan meningkat jauh lebih pantas, lalu menjadikan penentukuran semakin sukar bagi susunan yang lebih besar.

Denyutan lebih lancar membantu mengekalkan ketepatan

Penentukuran itu digunakan bersama denyutan gelombang mikro yang dibentuk dengan teliti. Penyelidik menggunakan denyutan tetingkap Kaiser, yang mempunyai sampul lebih licin berbanding denyutan segi empat tepat konvensional. Bentuknya menekan komponen frekuensi yang tidak diingini dan boleh mengganggu qubit bersebelahan.

Pracetak itu melaporkan kesetiaan get asas individu kira-kira 99.98% dengan denyutan segi empat tepat. Penggunaan denyutan tetingkap Kaiser meningkatkan kesetiaan kesemua lima qubit melebihi 99.99%, dengan sesetengahnya menghampiri 99.999%. Perbandingan itu menunjukkan bahawa bentuk isyarat kawalan boleh sama pentingnya dengan frekuensi dan kekuatannya.

Pasukan itu menilai prestasi melalui penanda aras rawak. Kaedah ini menggunakan jujukan operasi yang dipilih secara rawak dan mengukur seberapa pantas kebarangkalian memperoleh hasil yang dimaksudkan merosot apabila jujukan semakin panjang. Kemerosotan itu memberikan anggaran kesetiaan get purata.

Kelajuan get juga memerlukan keseimbangan. Get yang perlahan menyebabkan qubit terdedah kepada penyahfasa untuk tempoh lebih lama, manakala get yang terlalu pantas memerlukan pemacuan gelombang mikro yang lebih kuat dan boleh menambah hingar. Kajian itu menggunakan tempoh get minimum 83 nanosaat bagi kawalan individu, dan menetapkan get serentak dalam eksperimen tiga qubit kepada 250 nanosaat untuk mengurangkan amplitud pemacuan puncak.

Perkara yang masih mengehadkan operasi kelima-lima qubit

Memacu kelima-lima qubit serentak memerlukan kuasa gelombang mikro yang lebih tinggi, dan kesetiaan merosot menghampiri 99.9%. Penyelidik mengaitkan baki kehilangan itu terutamanya dengan penyahkoherenan akibat pemacuan, iaitu kemerosotan koheren kuantum yang diperlukan untuk pengiraan.

Pembetulan fasa menangani anjakan yang boleh diramal, diukur dan diimbangi. Penyahkoherenan pula memerlukan perubahan yang dapat memelihara keadaan kuantum dengan lebih baik semasa operasi. Oleh itu, reka bentuk peranti, termasuk magnet mikro, menjadi tumpuan penambahbaikan seterusnya.

Camenzind menghuraikan kekangan yang masih ada itu serta langkah yang dicadangkan pasukan berkenaan.

Ini satu batasan, tetapi penambahbaikan lanjut pada reka bentuk peranti boleh membantu mengurangkan punca ralat ini.

Makalah itu menjelaskan bahawa kesetiaan yang diperlukan untuk toleransi ralat bergantung pada protokol pembetulan ralat dan jenis hingar yang wujud. Nilai melebihi 99.9% disasarkan secara meluas bagi operasi praktikal. Sistem yang berfungsi juga perlu menggabungkan get yang tepat dengan pengukuran yang boleh dipercayai dan pembetulan ralat berulang merentasi susunan yang jauh lebih besar. Pasukan itu belum menetapkan jadual masa untuk mencapai tahap tersebut.

Daripada manuskrip pertama kepada matlamat penyelidikan lebih besar

Kerja ini berkembang melalui penerbitan pracetak dan jurnal sebelum RIKEN mengumumkan hasilnya. Tarikh utamanya ialah:

• 16 Julai 2025: Penyelidik menerbitkan pracetak pertama, arXiv:2507.11918v1.
• 15 Oktober 2026: Nature Physics menerbitkan kajian itu dengan DOI 10.1038/s41567-026-03466-2.
• 16 Oktober 2026: RIKEN menarikhkan kenyataan media bahasa Inggerisnya yang menghuraikan penemuan tersebut.

Kerjasama itu melibatkan penyelidik dari RIKEN, Universiti Nasional Taiwan, ETH Zurich dan QuTech di Belanda. Agensi Sains dan Teknologi Jepun menyokong kerja itu menerusi projek Matlamat Moonshot 6 JPMJMS256H, yang memberi tumpuan kepada teknologi untuk komputer kuantum silikon bertoleransi ralat.

Keserasian silikon dengan proses pembuatan semikonduktor sedia ada menyediakan laluan ke arah integrasi berketumpatan tinggi. Eksperimen ini menambah satu strategi kawalan kepada kelebihan pembuatan itu: beberapa qubit boleh berkongsi satu talian gelombang mikro, manakala interaksi fasa yang tidak diingini antara qubit boleh dibetulkan menggunakan pengukuran berpasangan.

Seigo Tarucha, pengurus projek pengkomputeran kuantum silikon di bawah Matlamat Moonshot 6 JST, menggariskan objektif jangka panjang itu.

Matlamat jangka panjang kami ialah membina komputer kuantum bertoleransi ralat berasaskan qubit spin silikon, dan kawalan selari yang boleh dipercayai merupakan langkah penting ke arah matlamat itu.

Perkara Utama

• RIKEN dan rakan usaha samanya mengawal lima qubit spin silikon melalui satu talian gelombang mikro kongsi.
• Kesetiaan get individu melebihi 99.99%, dengan sesetengahnya menghampiri 99.999%.
• Sehingga tiga qubit mengekalkan kesetiaan melebihi 99.99% semasa operasi serentak; kelima-limanya beroperasi pada kira-kira 99.9% atau lebih.
• Penentukuran berpasangan mengimbangi anjakan fasa yang tidak diingini akibat kesan Stark AC.
• Kuasa gelombang mikro yang lebih tinggi menyebabkan penyahkoherenan semasa kelima-lima qubit beroperasi, menjadikan penambahbaikan peranti tumpuan teknikal seterusnya.
• Kajian itu diterbitkan dalam Nature Physics pada 15 Oktober 2026.