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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.
En un chip de silicio, cinco espines de electrones son dirigidos por una única línea de microondas, y cada uno debe llevarse al estado correcto sin perturbar a sus vecinos. Ese es el problema que el Centro de Materia Emergente del RIKEN se propuso resolver, y en un estudio publicado en Nature Physics, su equipo informa de que tres qubits pueden funcionar a la vez manteniendo una fidelidad de puerta por encima del 99,99 %. El experimento utilizó una matriz de cinco qubits de silicio controlada mediante una única línea de microondas compartida.
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.
Un qubit es el equivalente cuántico de un bit: puede contener una combinación de 0 y 1. En los qubits de espín de silicio, esa información se almacena en el espín de un electrón atrapado en silicio, y se modifica mediante pulsos de microondas. El silicio tiene una ventaja práctica, ya que el enfoque es compatible con la fabricación de semiconductores que ya se emplea en los chips informáticos. Su debilidad conocida es que, cuando varios qubits se manejan al mismo tiempo, su precisión suele caer, y un ordenador cuántico que no puede operar muchos qubits juntos sigue siendo una máquina pequeña.
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.
El equipo comenzó por identificar la causa principal de esa caída: el desplazamiento Stark de CA, un efecto inducido por las señales de control de microondas. Este cambia los niveles de energía efectivos de un qubit y desplaza la fase de su estado cuántico. Su protocolo de mitigación se basa en calibraciones entre pares de qubits para compensar esos desplazamientos de fase. Yi-Hsien Wu, primer autor, explicó que el método evita una calibración separada para cada combinación posible de qubits. Los qubits individuales, operados de uno en uno, alcanzaron fidelidades muy por encima del 99,99 % en cada uno de los cinco qubits, con la mejor acercándose al 99,999 %. La fidelidad mide la precisión con la que se ejecuta una operación cuántica.
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.
Con el protocolo, las fidelidades se mantuvieron por encima del 99,99 % cuando hasta tres qubits operaban simultáneamente. Con los cinco funcionando juntos, se mantuvieron en aproximadamente el 99,9 %, un nivel que los autores describen como cercano a los requisitos prácticos de la computación cuántica tolerante a fallos. La pérdida residual procede de la decoherencia inducida por el accionamiento, una pérdida de coherencia cuántica causada por la mayor potencia de microondas que exige el funcionamiento simultáneo. A diferencia de los desplazamientos de fase que aborda el nuevo protocolo, este efecto no se corrige mediante calibración, y Camenzind afirmó que nuevas mejoras en el diseño del dispositivo podrían ayudar.
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.
Por ahora, el resultado se queda en el laboratorio. Demuestra que las líneas de control compartidas pueden usarse sin sacrificar precisión, algo que importa a quien quiera conectar decenas o cientos de qubits sin una línea dedicada para cada uno. El objetivo a largo plazo declarado por el equipo es un ordenador cuántico tolerante a fallos construido con qubits de espín de silicio, y Seigo Tarucha, que dirige un proyecto de computación cuántica con silicio dentro del Moonshot Goal 6 de la JST, califica el control paralelo fiable de «un paso esencial» hacia ese objetivo. Ni el RIKEN ni el equipo dan una fecha para un procesador más grande, y el estudio no describe ninguno.