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On a silicon chip, five electron spins are steered by a single microwave line, and each of them has to be pushed to the right state without disturbing its neighbours. That is the problem RIKEN's Center for Emergent Matter Science set out to solve, and in a study published in Nature Physics, its team reports that three qubits can run at once while keeping gate fidelity above 99.99%. The experiment used a five-qubit silicon array controlled through one shared microwave line.
Auf einem Siliziumchip werden fünf Elektronenspins über eine einzige Mikrowellenleitung gesteuert, und jeder muss in den richtigen Zustand gebracht werden, ohne seine Nachbarn zu stören. Dieses Problem wollte das Center for Emergent Matter Science von RIKEN lösen. In einer in Nature Physics veröffentlichten Studie berichtet das Team, dass drei Qubits gleichzeitig laufen können, während die Gate-Treue über 99,99 % bleibt. Das Experiment nutzte eine Anordnung aus fünf Silizium-Qubits, die über eine gemeinsame Mikrowellenleitung angesteuert wurde.
A qubit is the quantum counterpart of a bit: it can hold a combination of 0 and 1. In silicon spin qubits, that information is stored in the spin of an electron trapped in silicon, and it is changed by microwave pulses. Silicon has a practical advantage, since the approach is compatible with the semiconductor manufacturing already used for computer chips. Its known weakness is that when several qubits are driven at the same time, their accuracy typically drops, and a quantum computer that cannot operate many qubits together stays a small machine.
Ein Qubit ist das Quantenpendant eines Bits: Es kann eine Kombination aus 0 und 1 speichern. Bei Silizium-Spin-Qubits steckt diese Information im Spin eines in Silizium eingefangenen Elektrons und wird durch Mikrowellenpulse verändert. Silizium hat einen praktischen Vorteil, denn das Verfahren ist mit der Halbleiterfertigung kompatibel, die für Computerchips ohnehin genutzt wird. Ihre bekannte Schwäche ist, dass die Genauigkeit in der Regel sinkt, wenn mehrere Qubits gleichzeitig angesteuert werden. Ein Quantencomputer, der viele Qubits nicht gemeinsam betreiben kann, bleibt eine kleine Maschine.
The team began by pinning down the main cause of that drop: the AC Stark shift, an effect induced by the microwave control signals. It changes the effective energy levels of a qubit and shifts the phase of its quantum state. Their mitigation protocol relies on calibrations between pairs of qubits to compensate for those phase shifts. Yi-Hsien Wu, the first author, explained that the method avoids a separate calibration for every possible combination of qubits. Single qubits, run one at a time, reached fidelities well above 99.99% on each of the five qubits, with the best approaching 99.999%. Fidelity measures how accurately a quantum operation is carried out.
Das Team begann damit, die Hauptursache für diesen Rückgang einzugrenzen: den AC-Stark-Effekt, eine durch die Mikrowellensteuersignale hervorgerufene Wirkung. Er verändert die effektiven Energieniveaus eines Qubits und verschiebt die Phase seines Quantenzustands. Ihr Korrekturverfahren stützt sich auf Kalibrierungen zwischen Qubit-Paaren, um diese Phasenverschiebungen auszugleichen. Yi-Hsien Wu, der Erstautor, erklärte, dass die Methode eine eigene Kalibrierung für jede mögliche Kombination von Qubits überflüssig macht. Einzeln betriebene Qubits erreichten bei jedem der fünf Qubits Treuen deutlich über 99,99 %, die besten nahezu 99,999 %. Die Treue misst, wie genau eine Quantenoperation ausgeführt wird.
With the protocol, fidelities stayed above 99.99% when up to three qubits operated simultaneously. With all five running together, they stayed at approximately 99.9%, a level the authors describe as close to the practical requirements of fault-tolerant quantum computing. The residual loss comes from drive-induced decoherence, a loss of quantum coherence caused by the higher microwave power that simultaneous operation requires. Unlike the phase shifts addressed by the new protocol, this effect is not corrected by calibration, and Camenzind said that further improvements to device design could help.
Mit dem Verfahren blieben die Treuen über 99,99 %, wenn bis zu drei Qubits gleichzeitig arbeiteten. Liefen alle fünf zusammen, lagen sie bei rund 99,9 %. Die Autoren beschreiben dieses Niveau als nahe an den praktischen Anforderungen des fehlertoleranten Quantencomputings. Der verbleibende Verlust geht auf treiberinduzierte Dekohärenz zurück, also einen Verlust der Quantenkohärenz, der durch die höhere Mikrowellenleistung entsteht, die der gleichzeitige Betrieb erfordert. Anders als die Phasenverschiebungen, die das neue Verfahren adressiert, lässt sich dieser Effekt nicht durch Kalibrierung korrigieren. Camenzind sagte, dass weitere Verbesserungen am Gerätedesign helfen könnten.
For now, the result stays in the laboratory. It shows that shared control lines can be used without sacrificing accuracy, which matters for anyone who wants to wire up dozens or hundreds of qubits without a dedicated line for each one. The team's stated long-term goal is a fault-tolerant quantum computer built on silicon spin qubits, and Seigo Tarucha, who manages a silicon quantum computing project under JST's Moonshot Goal 6, calls reliable parallel control "an essential step" toward it. Neither RIKEN nor the team gives a date for a larger processor, and the study does not describe one.
Vorerst bleibt das Ergebnis im Labor. Es zeigt, dass gemeinsame Steuerleitungen genutzt werden können, ohne an Genauigkeit einzubüßen. Das ist für alle wichtig, die Dutzende oder Hunderte Qubits verdrahten wollen, ohne für jedes eine eigene Leitung zu benötigen. Das erklärte langfristige Ziel des Teams ist ein fehlertoleranter Quantencomputer auf Basis von Silizium-Spin-Qubits. Seigo Tarucha, der ein Siliziumprojekt für Quantencomputing im Rahmen des Moonshot-Ziels 6 der JST leitet, nennt die zuverlässige parallele Steuerung dafür „einen wesentlichen Schritt“. Weder RIKEN noch das Team nennen einen Termin für einen größeren Prozessor, und die Studie beschreibt auch keinen.