日本理化学研究所实现硅量子比特高精度并行控制 为打造更大规模量子处理器铺路

日本理化学研究所（RIKEN）及其合作团队取得量子计算领域的一项重要进展：研究人员成功在多个硅量子比特同时运行的情况下，将单量子比特量子门的操作保真度维持在较高水平。这项成果有望帮助研究人员利用现有半导体制造技术，构建规模更大、控制更精确的硅基量子处理器。

相关研究于2026年10月15日发表于《自然·物理》（Nature Physics），论文题为《硅自旋量子比特阵列中的高保真度单量子比特门并行操作》。研究团队通过实验发现，多个量子比特同时接受控制信号时，操作精度下降的一个重要原因，是微波信号引起的量子态相位偏移。研究人员随后设计了一套新的校准方法，在不必针对每一种可能的量子比特组合分别进行完整校准的情况下，补偿了其中一部分误差。

量子计算机使用量子比特，也就是qubit，作为基本信息单元。与传统计算机只能使用0和1表示二进制状态不同，量子比特能够利用量子叠加等特性，以量子态的形式编码信息。通过精确控制量子比特的状态，量子计算机有望在特定问题上实现传统计算机难以达到的计算能力。

然而，量子比特也非常脆弱，容易受到环境噪声和控制误差影响。即使单个量子比特能够执行非常精确的操作，当多个量子比特同时工作时，控制系统之间的相互影响仍可能降低整体精度。因此，量子计算机要从实验室中的少量量子比特走向实用的大规模处理器，不仅需要增加量子比特数量，还必须确保它们能够在并行运行时保持足够高的操作准确度。

硅自旋量子比特是目前受到关注的技术路线之一。该方案将电子的自旋状态作为量子信息的载体，并将电子限制在硅材料构成的微观结构中。研究人员利用微波信号控制电子自旋，从而执行量子计算所需的基本操作。

硅具有一个重要优势：它是现代半导体产业的核心材料，已经拥有成熟的晶圆制造、微纳加工和集成电路生产技术。如果能够在硅芯片上可靠地制造和控制大量量子比特，就有机会借助现有半导体产业的部分技术基础，降低量子处理器扩大规模时面临的制造难度。

但要实现这一目标，研究人员必须解决一个关键问题：如何通过有限的控制线路，同时操作多个量子比特，而不让控制信号之间产生过多干扰。

在传统量子处理器设计中，如果每个量子比特都需要独立的控制线路，随着量子比特数量不断增加，芯片与外部控制设备之间的连接数量也会迅速增长。这不仅使设备结构变得复杂，还可能增加布线、功耗和热管理方面的压力。

如果多个量子比特能够共享控制线路，就有望减少所需的连接数量，使量子处理器更容易扩展。不过，共享线路也带来了新的挑战：多个量子比特同时接收微波控制信号时，信号产生的附加效应可能影响量子态，导致操作精度下降。

理化学研究所团队此次的研究，正是围绕这一问题展开。

研究人员使用一套包含五个硅自旋量子比特的实验装置，并通过一条共享微波控制线路对它们进行控制。实验结果显示，经过优化的器件设计和精细校准后，这五个量子比特在分别进行单量子比特操作时，量子门保真度均超过99.99%，其中表现最好的量子比特接近99.999%。

所谓量子门保真度，是衡量量子操作实际结果与理想目标之间一致程度的指标。保真度越高，意味着操作引入的误差通常越小。不过，保真度并不等同于量子计算机完成整个复杂任务的成功概率，因为一项实际计算往往需要连续执行大量量子门操作，误差也可能在过程中累积。

这项实验最重要的结果，是研究人员进一步验证了多个量子比特同时运行时的控制精度。

在最多三个量子比特同时操作的情况下，研究团队仍将单量子比特门的保真度维持在99.99%以上。当五个量子比特全部同时运行时，保真度则约为99.9%。

虽然五个量子比特同时运行时的精度略有下降，但这一结果表明，共享控制线路并不必然导致量子操作精度大幅恶化。通过合理设计器件并对控制信号进行校准，多个量子比特仍然能够在并行运行时保持较高的准确度。

研究人员认为，这为未来扩大硅基量子处理器的规模提供了重要参考。理化学研究所研究人员莱昂·卡门津德表示，实验表明，即使多个量子比特同时工作，也可以维持高保真度控制，这是推动硅基量子处理器规模化的重要一步。

为了找出并行操作时精度下降的原因，研究团队重点分析了交流斯塔克位移（AC Stark shift）。

这一物理效应会在量子系统受到交变电磁场驱动时，改变其有效能级结构。对于通过微波信号控制的硅自旋量子比特而言，控制信号不仅负责执行预期操作，还可能改变量子比特的有效能量状态，进而使量子态的相位发生偏移。

相位是描述量子态的重要参数。即使量子比特的其他状态特征看起来没有明显变化，非预期的相位偏移仍可能影响后续量子操作的结果。多个量子比特同时接收微波信号时，这类效应可能变得更加复杂，最终导致操作误差增加。

研究人员发现，交流斯塔克位移是并行操作过程中影响精度的重要因素之一。为了解决这一问题，团队开发了一套基于量子比特两两校准的方案。

传统做法可能需要针对不同量子比特组合分别进行校准。当处理器中的量子比特数量增加时，可能出现的组合数量也会迅速增长，使校准工作变得越来越复杂。

研究团队采用的方案则是先分析量子比特两两之间的相关影响，再利用这些校准结果补偿并行控制时出现的非预期相位变化。这样便不必针对每一种可能的量子比特组合，都重新执行一套完全独立的校准流程。

论文第一作者吴怡贤表示，这种方法通过量子比特之间的成对校准来补偿不必要的相位偏移，避免了为所有可能组合分别建立完整校准程序的需要。

这一设计具有实际工程意义。随着量子处理器从五个量子比特扩展到几十个、几百个甚至更多量子比特，控制系统需要处理的连接和校准关系将变得更加复杂。若能够利用局部校准结果有效补偿主要误差来源，就有机会降低控制系统的复杂程度，为更大规模的量子芯片提供支持。

不过，研究人员也发现，新的校准方法并不能消除所有误差。

当五个量子比特同时运行时，保真度仍从单独操作时的99.99%以上下降至约99.9%。团队认为，剩余误差的一项重要来源是驱动诱导退相干（drive-induced decoherence）。

简单来说，随着更多量子比特同时接受控制，系统可能需要使用更高的微波驱动功率。更强的驱动会带来额外影响，使量子系统更难维持原有的相干性。与交流斯塔克位移造成的相位偏差不同，退相干涉及量子信息所依赖的相干关系受到破坏，不能仅通过补偿相位就完全解决。

研究人员指出，进一步改进器件设计可能有助于减轻这一问题。这意味着，未来还需要从量子芯片结构、控制信号设计以及整体系统架构等方面继续优化，才能在增加并行操作数量的同时，维持足够高的精度。

这项研究的长期目标，是实现基于硅自旋量子比特的容错量子计算机。所谓容错量子计算，是指通过量子纠错等技术，在存在一定物理错误的情况下，仍然能够可靠地执行计算任务。

在实际系统中，单个量子比特不可避免地会出现错误，因此仅仅拥有高保真度的基本量子门并不足以保证整个计算过程可靠。研究人员还需要把量子比特连接起来，建立稳定的控制机制，并通过纠错编码和重复测量等方式识别、纠正错误。

如果基本操作的错误率能够持续降低，量子纠错所需的额外资源就有可能得到控制，量子处理器也更有机会在执行复杂任务时保持可靠性。因此，提升并行控制精度是通向容错量子计算的重要环节之一，但并不是实现容错计算的全部条件。

硅基量子计算的另一项潜在优势，是有机会利用成熟的半导体制造产业进行规模化生产。与某些需要特殊材料、复杂低温结构或高度定制化制造工艺的技术路线相比，硅自旋量子比特能够借助部分现有半导体制造技术，为大规模集成提供新的可能性。

不过，成熟的硅芯片制造技术并不意味着量子处理器可以直接按照传统处理器的方式生产。量子比特需要在特定条件下维持量子态，通常需要极低温环境以及精密的电气控制。如何在扩大芯片规模的同时，控制热量、减少噪声、维持量子态稳定，并将大量量子比特与外部控制设备有效连接，仍然是尚待解决的工程问题。

此次实验也仅在五个量子比特的装置上验证了相关方法。它证明了共享控制线路与高精度并行操作可以兼容，但并不意味着研究人员已经构建出具有实用规模的量子计算机。将这一方法扩展到更多量子比特时，控制信号之间的相互作用、芯片制造差异以及系统整体噪声，都可能带来新的挑战。

尽管如此，这项研究为硅基量子计算提供了一个重要的技术方向：在增加量子比特数量的同时，尽可能减少控制线路和校准工作的复杂性，并针对影响精度的主要物理机制采取补偿措施。

随着量子计算研究从单个量子比特的性能优化，逐步转向多个量子比特的协同工作，如何实现精确、稳定且可扩展的并行控制，将成为决定量子处理器能否走向实用化的关键问题之一。

理化学研究所团队此次展示的成果表明，通过优化硅芯片设计、共享微波控制线路，并利用成对校准补偿相位误差，研究人员可以在多个量子比特同时运行时保持较高的量子门保真度。虽然距离真正的大规模容错量子计算机仍有相当长的路要走，但这一进展为利用成熟半导体技术构建更大规模的硅基量子处理器提供了新的实验依据。