硅自旋量子比特在量子计算的未来中可能发挥重要作用，因为它们可以使用与当今计算机芯片相同的半导体制造方法来生产。然而，研究人员面临着一个重大挑战。当同时控制多个硅量子比特时，它们的操作通常会变得不够准确。构建实用的大型量子计算机将要求科学家在控制许多量子比特的同时将错误保持在最低限度。位于RIKEN紧急物质科学中心的研究人员及其合作者现在在解决这个问题方面取得了重要进展。在《自然物理学》上发表的一项研究中，团队展示了同时操作多个硅自旋量子比特的高准确性控制。他们的实验使用了一个连接到共享微波控制线的五个量子比特阵列。通过识别同时操作期间错误的主要原因，科学家们开发了一种减少这些错误并保持精确度的技术。RIKEN的研究科学家、实验监督者及共同第一作者Leon Camenzind解释了结果的重要性：“这表明，即使同时操作多个量子比特，高保真度的控制也可以持续，并且代表了朝向扩展基于硅的量子处理器的重要一步。”科学家识别出量子计算错误的隐性来源与传统计算机不同，传统计算机以表示0或1的比特来存储信息，而量子计算机使用量子比特，或量子比特，可以处于这两种状态的组合中。硅自旋量子比特使用被限制在硅内的单个电子的自旋来存储这些信息。执行可靠的量子计算需要对这些电子自旋进行极其精确的控制。微波信号提供了这种控制，但同时操作多个量子比特可能会产生干扰其准确性的非希望效果。研究人员将这一问题的很大一部分追溯到一种现象，称为AC斯塔克位移。该效应在微波控制信号改变量子比特的有效能级时发生，导致其量子态的相位发生变化。这些相位位移可能会干扰单个量子比特的预期操作，特别是在多个量子比特同时被控制时。为了对抗这一问题，团队创建了一种校准方法，以补偿这些不希望的位移。该技术并不是分别校准每一个可能的量子比特组合，而是依赖于在量子比特对之间进行的校准。这使得这种方法对于包含更多量子比特的系统更为实用。第一作者、作为其博士研究的一部分进行实验的Yi-Hsien Wu解释道：“我们的方法不再需要为每一个可能的量子比特组合要求完全独立的校准程序，而是使用在量子比特对之间的校准来补偿不希望的相位位移。”量子比特的准确度超过99.99%研究人员将他们的校准技术与改进的设备设计结合起来，并仔细调整微波控制脉冲。他们的结果表明，即使多个量子比特同时操作，也可以保持异常高的准确性。当分别测试这五个量子比特时，每个量子比特的单量子比特门的保真度均远高于99.99%，最高接近99.999%。保真度描述了量子操作与其预期结果之间的匹配程度。然后，团队测试了当多个量子比特同时工作时系统的性能。在多达三个量子比特同时操作时，保真度仍保持在99.99%以上。即使在同时控制所有五个量子比特时，准确性仍保持在约99.9%，接近实用容错量子计算所需的水平。尽管校准方法大大减少了错误，但并没有完全消除它们。研究人员发现，剩余的准确性损失与驱动引起的去相干有关，这是一种由于同时操作多个量子比特所需的更大微波功率所造成的效应。与新技术纠正的不希望的相位位移不同，去相干涉及到丧失进行可靠操作所需的微妙量子相干。Camenzind表示：“这是一个限制因素，但设备设计的进一步改进可能有助于减轻这一错误来源。”通向更大量子处理器的新路径这些发现表明，同时控制多个硅自旋量子比特并不一定需要在准确性上做出重大牺牲。通过纠正一个错误的关键来源，研究人员展示了一种通过共享微波控制线操作更多量子比特的有前景方法。这对大型量子处理器的发展尤其重要。为每个量子比特提供独立的控制系统将使得越来越复杂的设备难以管理.