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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.
Num chip de silício, cinco spins de eletrão são orientados por uma única linha de micro-ondas, e cada um tem de ser levado ao estado correto sem perturbar os vizinhos. É este o problema que o Centro para a Ciência da Matéria Emergente do RIKEN se propôs resolver, e num estudo publicado na Nature Physics, a equipa afirma que três qubits podem funcionar ao mesmo tempo mantendo a fidelidade das portas acima de 99,99%. A experiência usou um conjunto de cinco qubits de silício controlado através de uma única linha de micro-ondas partilhada.
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.
Um qubit é o equivalente quântico de um bit: pode assumir uma combinação de 0 e 1. Nos qubits de spin de silício, essa informação é armazenada no spin de um eletrão preso no silício e é alterada por impulsos de micro-ondas. O silício tem uma vantagem prática, já que a abordagem é compatível com a fabricação de semicondutores já usada nos chips de computador. A sua fraqueza conhecida é que, quando vários qubits são acionados em simultâneo, a precisão costuma cair, e um computador quântico incapaz de operar muitos qubits em conjunto continua a ser uma máquina pequena.
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.
A equipa começou por identificar a principal causa dessa queda: o deslocamento de Stark AC, um efeito induzido pelos sinais de controlo de micro-ondas. Este altera os níveis de energia efetivos de um qubit e desloca a fase do seu estado quântico. O protocolo de mitigação que desenvolveram baseia-se em calibrações entre pares de qubits para compensar esses desvios de fase. Yi-Hsien Wu, primeiro autor, explicou que o método evita uma calibração separada para cada combinação possível de qubits. Os qubits individuais, operados um de cada vez, atingiram fidelidades bem acima de 99,99% em cada um dos cinco qubits, com a melhor a aproximar-se de 99,999%. A fidelidade mede a precisão com que uma operação quântica é executada.
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.
Com o protocolo, as fidelidades mantiveram-se acima de 99,99% quando até três qubits funcionavam em simultâneo. Com os cinco a funcionar em conjunto, mantiveram-se em cerca de 99,9%, nível que os autores descrevem como próximo dos requisitos práticos da computação quântica tolerante a falhas. A perda residual deve-se à decoerência induzida pelo acionamento, uma perda de coerência quântica causada pela maior potência de micro-ondas que o funcionamento simultâneo exige. Ao contrário dos desvios de fase tratados pelo novo protocolo, este efeito não é corrigido por calibração, e Camenzind disse que melhorias adicionais no design do dispositivo poderiam ajudar.
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 agora, o resultado fica no laboratório. Mostra que linhas de controlo partilhadas podem ser usadas sem sacrificar a precisão, o que interessa a quem queira ligar dezenas ou centenas de qubits sem uma linha dedicada para cada um. O objetivo de longo prazo declarado pela equipa é um computador quântico tolerante a falhas construído com qubits de spin de silício, e Seigo Tarucha, que gere um projeto de computação quântica em silício no âmbito do Objetivo 6 do programa Moonshot da JST, qualifica o controlo paralelo fiável de «um passo essencial» nessa direção. Nem a RIKEN nem a equipa avançam uma data para um processador maior, e o estudo não descreve nenhum.