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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.
Su un chip di silicio, cinque spin di elettroni sono pilotati da un’unica linea a microonde, e ciascuno di essi deve essere portato allo stato corretto senza disturbare i vicini. È il problema che il Centro RIKEN per la scienza della materia emergente si è proposto di risolvere e, in uno studio pubblicato su Nature Physics, il suo team riferisce che tre qubit possono funzionare contemporaneamente mantenendo una fedeltà di porta superiore al 99,99%. L’esperimento ha utilizzato una matrice di cinque qubit al silicio controllata tramite un’unica linea a microonde condivisa.
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 è l’equivalente quantistico del bit: può assumere una combinazione di 0 e 1. Nei qubit di spin al silicio, questa informazione è immagazzinata nello spin di un elettrone intrappolato nel silicio e viene modificata da impulsi a microonde. Il silicio presenta un vantaggio pratico, perché l’approccio è compatibile con la produzione di semiconduttori già utilizzata per i chip dei computer. Il suo punto debole noto è che, quando più qubit vengono pilotati nello stesso momento, la loro precisione tende a calare, e un computer quantistico incapace di far operare molti qubit insieme resta una macchina di piccole dimensioni.
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.
Il team ha iniziato individuando la causa principale di questo calo: lo spostamento Stark in corrente alternata (AC Stark shift), un effetto indotto dai segnali di controllo a microonde. Esso modifica i livelli energetici effettivi di un qubit e sposta la fase del suo stato quantistico. Il protocollo di mitigazione si basa su tarature tra coppie di qubit per compensare tali sfasamenti. Yi-Hsien Wu, primo autore, ha spiegato che il metodo evita una taratura separata per ogni possibile combinazione di qubit. I singoli qubit, usati uno alla volta, hanno raggiunto fedeltà ben superiori al 99,99% su ciascuno dei cinque qubit, con il valore migliore vicino al 99,999%. La fedeltà misura quanto accuratamente viene eseguita un’operazione quantistica.
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 il protocollo, le fedeltà sono rimaste sopra il 99,99% quando fino a tre qubit operavano contemporaneamente. Con tutti e cinque in funzione insieme, si sono attestate intorno al 99,9%, un livello che gli autori descrivono come vicino ai requisiti pratici del calcolo quantistico a tolleranza di errore. La perdita residua deriva dalla decoerenza indotta dal segnale di comando, cioè una perdita di coerenza quantistica causata dalla potenza più elevata delle microonde che il funzionamento simultaneo richiede. A differenza degli sfasamenti affrontati dal nuovo protocollo, questo effetto non viene corretto dalla taratura, e Camenzind ha affermato che ulteriori miglioramenti del progetto del dispositivo potrebbero aiutare.
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.
Per ora, il risultato resta confinato al laboratorio. Dimostra che le linee di controllo condivise possono essere utilizzate senza sacrificare la precisione, un aspetto importante per chi voglia collegare decine o centinaia di qubit senza una linea dedicata per ciascuno. L’obiettivo di lungo periodo dichiarato dal team è un computer quantistico a tolleranza di errore costruito su qubit di spin al silicio, e Seigo Tarucha, che dirige un progetto di calcolo quantistico al silicio nell’ambito del Moonshot Goal 6 della JST, definisce il controllo parallelo affidabile «un passo essenziale» in questa direzione. Né il RIKEN né il team indicano una data per un processore più grande, e lo studio non ne descrive alcuno.