北京
一根微波线，同时操控5个硅基量子比特，准确率还稳在99.9%以上。这件事听起来像是实验室里的一次小升级，但它解决的其实是量子计算机扩容路上一个挺要命的问题。
先说背景。量子计算机的本事，不光看它有多少个量子比特，还要看这些比特能不能精准地协同工作。研究人员这次做到的，是用一根共享的微波控制线，让5个硅基量子比特同时运转，操作准确率维持在99.9%及以上。按照研究中的说法，这条路可能让未来的量子处理器更容易扩展，不必再给每个量子比特单独配一根控制线。
但“同时控制”四个字，远没有听上去那么轻松。量子计算机需要并行执行操作，才能跑纠错程序，而纠错程序的作用，是保护脆弱的量子信息。问题在于，用来控制一个量子比特的信号，会干扰旁边的邻居，让它们的操作变得不那么准。在早前的实验里，这种干扰曾让门保真度——衡量量子操作做得有多准的指标——从99.95%掉到99.5%左右。
研究团队在论文里也直说了：“同时控制仍然是硅器件中的一大挑战，因为保真度在并行操作下通常会下降。”
这次出手的是日本理化学研究所（RIKEN）及合作机构的研究人员。他们找到了干扰的主要来源，并开发出一套补偿办法。实验用的5个量子比特，来自硅/硅锗器件中被称为量子点的微小结构里所囚禁的电子自旋。研究人员的补充是：“硅自旋量子比特尤其有望成为可扩展量子计算的一条路径，因为它们与工业半导体制造相兼容。”
干扰的学名叫串扰。一个瞄准某个量子比特的微波信号，会顺带影响它的邻居，哪怕邻居并不是这次操作的目标。研究团队把主要源头追到了一个叫AC斯塔克位移的现象上：微波信号会改变邻近量子比特的有效能级，进而改变其量子态的演化方式，产生一个不想要的相位偏移。相位偏移一出现，原本打算做的操作就可能被带偏。
他们的解法不是给每一种可能的比特组合都单独做一遍校准，而是先测量两两量子比特之间如何相互影响，再用这些测量结果去补偿多个比特一起工作时的偏差。研究第一作者Yi-Hsien Wu的解释是：“我们的方法不需要为每一种可能的量子比特组合单独做一套校准程序，而是利用量子比特两两之间的校准来补偿不想要的相位偏移。”
效果如何，数据说得比较清楚：
- 5个量子比特单独操作时，门保真度超过99.99%，最好的接近99.999%
- 最多3个量子比特同时操作时，保真度保持在99.99%以上；
- 即便5个全部并行运转，门保真度也维持在99.9%及以上。
这个精度达到了容错量子计算中一个被广泛使用的基准线。容错量子计算，指的是用纠错技术帮计算挡住错误。不过要说清楚：这不等于研究人员已经造出了一台完全容错的量子计算机。
共享微波线还有一层现实好处。更大的处理器如果用共享线，控制连线的数量就能减少，省空间，也可能降低控制硬件产生的热量。研究团队把这种思路看作一种可能的基础，用于每条共享线承载约10个量子比特的模块——但要强调，这是未来的目标，不是已经演示出来的结果。
麻烦也没消失。更强的微波信号能加快操作，同时也会引入不想要的扰动，打乱量子比特脆弱的量子态。团队提出的方向是改进用于控制电子自旋的微型磁体，把它们集成进芯片的布线层。改进后的磁体能产生更强的局域磁场，或许可以让操作更快，同时把微波功率降下来。
就眼下而言，这项成果攻克的是硅基量子计算机扩展路上的一个障碍：多个量子比特一起工作时，如何把控制精度守住。要把这套办法推广到更大的阵列，同时管住其他误差来源，仍然是走向实用容错量子计算之前绕不开的功课。研究已发表在《自然·物理》上。
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