北京
扩展硅量子计算机的秘诀，可能在于测量成对量子比特在协同工作之前如何相互影响。
量子计算机的能力不仅取决于它包含多少量子比特，还取决于它们能多准确地协同工作。
如今，研究人员展示了一种通过单条微波控制线同时操作五个硅基量子比特的方法，并将操作准确率保持在99.9%或以上。这种方法可能有助于让未来的量子处理器更容易扩展，而无需为每个量子比特配备单独的控制线。
然而，同时控制多个量子比特并不像把微波信号一起发送给它们那么简单。量子计算机需要并行执行操作，以运行纠错程序，而这些程序有助于保护脆弱的量子信息。
但用于控制一个量子比特的信号可能会干扰相邻量子比特，使其操作准确率下降。在此前的实验中，这一问题导致门保真度——衡量量子操作执行准确程度的指标——从99.95%下降到约99.5%。
研究人员在论文中指出：“同时控制仍然是硅器件中的一大挑战，因为保真度通常在并行操作下会下降。”
来自日本理化学研究所及合作机构的研究人员现已确定了这种干扰的主要来源，并开发出一种补偿方法。
隐藏的频移让量子比特偏离正轨
该团队研究了五个量子比特，这些量子比特由电子自旋构成，而电子自旋被困在硅/硅锗器件中称为量子点的微小结构内。
研究人员补充说：“尤其是硅自旋量子比特，由于与工业半导体制造兼容，为可扩展量子计算提供了一条有前景的路径。”
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居。这种不必要的影响被称为串扰，即使相邻量子比特并非目标对象，也会降低量子操作的准确率。
研究人员将这种干扰的主要来源追溯到一个称为交流斯塔克位移（AC Stark shift）的现象。微波信号可以改变相邻量子比特的有效能级，从而改变其量子态的演化方式。
这会产生不希望的相位偏移——即描述量子态的波在相对时序上的变化——从而使预期操作偏离目标。
逐对修正可保持量子操作准确
团队发现，通过测量各个量子比特对之间如何相互影响，可以预测这些相位偏移。他们利用这些测量结果，在多个量子比特一起操作时补偿不必要的变化，从而避免了为每一种可能组合单独校准的需要。
正如论文第一作者Yi-Hsien Wu所解释的那样：“我们的方法不需要为每一种可能的量子比特组合都进行完全单独的校准程序，而是利用量子比特对之间的校准来补偿不希望的相位偏移。”
结果显示了这种方法可能有多有效。五个量子比特单独操作时，门保真度超过99.99%，其中最好的接近99.999%。
当最多三个量子比特同时操作时，其保真度仍高于99.99%。即使五个量子比特全部并行操作，其门保真度也保持在99.9%或以上。
这一准确度水平达到了容错量子计算广泛使用的基准，即纠错技术有助于保护计算免受错误影响。不过，这并不意味着研究人员已经建成了完全容错的量子计算机。
更快的量子操作，更低的功耗
使用共享微波线可以减少更大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。
研究人员认为，这种方法可能成为每个共享线包含约十个量子比特的模块的基础，不过这种更大规模的配置仍是未来目标，而非已经展示的结果。
其他挑战仍然存在。更强的微波信号可以加快操作速度，但也会引入不希望的扰动，破坏量子比特脆弱的量子态。团队提出，可以通过将用于控制电子自旋的微型磁体集成到芯片的布线层中来改进这些磁体。
这些改进后的磁体可以产生更强的局域磁场，从而可能以更低的微波功率实现更快的操作。
目前，这一成果解决了扩展硅量子计算机的一个障碍：在多个量子比特一起工作时保持准确控制。在它能够支持实用的容错量子计算之前，还必须将该方法扩展到更大的阵列，并控制其他误差来源。
该研究发表在《自然·物理学》期刊上。
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