Kinontrol ng RIKEN ang Limang Silicon Qubit sa Pamamagitan ng Iisang Pinagsasaluhang Microwave Line nang May Mataas na Katumpakan

Iisang control line, limang qubit at solusyon sa hindi gustong interference

Nagpatakbo ang mga mananaliksik sa RIKEN Center for Emergent Matter Science ng Japan at kanilang mga katuwang ng limang silicon quantum bit sa pamamagitan ng iisang pinagsasaluhang microwave line, habang napapanatili sa humigit-kumulang 99.9% o mas mataas ang katumpakan ng mga operasyon sa bawat isa. Nang sabay-sabay na paandarin ang hanggang tatlong qubit, lumampas sa 99.99% ang katumpakan ng bawat isa. Tinutugunan nito ang isang problemang nagpahirap sa pagkontrol sa mas malalaking silicon quantum processor.

Sa pag-aaral na inilathala sa Nature Physics noong Oktubre 15, 2026, tinukoy ang mga microwave signal mismo bilang pangunahing pinagmumulan ng interference. Binabago ng mga signal na nakalaan para sa isang qubit ang mga kondisyon ng pagpapatakbo ng iba. Sinukat ng pangkat ang mga hindi gustong pagbabagong ito sa pagitan ng magkapares na qubit, saka inayos ang mga control signal para tumbasan ang mga ito.

Pinag-uugnay ng resulta ang dalawang problemang kailangang lutasin nang magkasama: panatilihing tumpak ang mga quantum operation at bawasan ang dami ng wiring na kailangan para kontrolin ang lumalaking processor. Pinapasimple ng pinagsasaluhang microwave line ang control architecture, habang tumutulong ang paraan ng calibration na mapanatili ang katumpakan kapag sabay-sabay na gumagana ang ilang qubit.

Inilarawan ni Leon Camenzind, research scientist sa RIKEN at kapwa unang awtor na nangasiwa sa mga eksperimento, ang pagsulong na ito sa English press release ng RIKEN na may petsang Oktubre 16.

Ipinakikita nito na napapanatili ang mataas na katapatan ng kontrol kahit sabay-sabay na pinatatakbo ang ilang qubit, at isa itong mahalagang hakbang tungo sa pagpapalawak ng mga quantum processor na nakabatay sa silicon.

Kahulugan ng mga bilang ng katumpakan

Inilalahad sa artikulo sa Nature Physics, na pinamagatang "Simultaneous High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Spin Qubit Array," ang mga sukat ng mga batayang operasyong tinatawag na gate. Binabago ng gate ang quantum state ng isang qubit. Inilalarawan ng fidelity kung gaano kalapit ang operasyon sa nilalayong resulta.

Indibidwal na nakamit ng lahat ng limang qubit ang gate fidelity na higit na mataas sa 99.99%, at may ilan na umabot sa halos 99.999%. Napanatili ng pangkat ang fidelity na higit sa 99.99% habang sabay-sabay na pinatatakbo ang hanggang tatlong qubit. Para sa sabay-sabay na pagpapatakbo ng lahat ng lima, iniulat sa artikulo ang performance na 99.9% o mas mataas; inilalarawan naman ng RIKEN ang resultang ito bilang humigit-kumulang 99.9%.

Mahalaga ang mga karagdagang decimal place. Kapag ibinawas ang fidelity sa 100%, makukuha ang sukat ng karaniwang error sa gate: katumbas ng 0.1% ang 99.9%, samantalang katumbas ng 0.01% ang 99.99%. Sampung ulit ang ibinababa ng sukat na ito sa paglipat sa pagitan ng dalawang antas. Malaki ang pag-asa ng quantum error correction sa pagpapanatiling maliit ng mga ganitong error sa maraming operasyon.

Sinukat ng pangkat ang mga batayang X at Y gate, na nagpapaikot sa state ng indibidwal na qubit sa magkakaibang axis. Mga batayang bahagi ang mga ito ng quantum circuit. Kapag sabay-sabay na pinapatakbo ang ilan sa mga gate na ito, maaaring magtulungan ang iba't ibang bahagi ng processor sa halip na maghintayan sa pila.

Paano gumagana ang silicon device

Nasa maliliit na bahaging tinatawag na quantum dot ang limang qubit, sa isang istrukturang gawa sa silicon at silicon germanium. Lumilikha at kumokontrol sa mga nakakulong na bahaging ito ang mga metal electrode. Naka-encode ang impormasyon sa electron spin, isang katangiang quantum na maaaring manipulahin gamit ang mga microwave signal.

Gumagamit ang device ng silicon na pinagyaman sa isotope na silicon-28. Ipinaliliwanag sa anunsiyo ng pananaliksik sa wikang Japanese ng RIKEN na walang nuclear spin ang silicon-28, kaya nakatutulong itong lumikha ng mas tahimik na magnetic environment para sa mga electron spin na nagdadala ng impormasyon.

Binubuo ng tatlong magkakapatong na suson ng aluminum gate ang array. Lumilikha ang isang maliit na cobalt magnet ng magnetic field na nag-iiba sa iba't ibang bahagi ng device, kaya nagkakahiwalay nang humigit-kumulang 150 megahertz ang mga operating frequency ng magkatabing qubit. Dahil sa mga pagkakaiba ng frequency, natutukoy ng mga mananaliksik ang mga indibidwal na qubit kahit iisa ang microwave electrode na pinagsasaluhan nila.

Nagdadala ang pinagsasaluhang line ng pinagsamang microwave pulse na nakalaan para sa iba't ibang qubit. May iba pang tungkulin ang mga hiwalay na electrode, kabilang ang paghubog sa mga quantum dot at pagsasaayos ng interaksiyon ng mga ito. Nakatuon ang pagbawas ng wiring sa microwave control infrastructure, na isa sa mahihirap na bahagi ng pagpapalawak sa ganitong uri ng processor.

Bakit hindi maaaring magpalitan lang sa pagpapatakbo ang mga qubit

Nawawala ang eksaktong ugnayan ng mga quantum state ng silicon spin qubit habang naghihintay ang mga ito. Maaaring masira ng pagkawala na ito, na tinatawag na dephasing, ang impormasyon bago magsimula ang susunod na operasyon. Sa device na ito, humigit-kumulang 10.3 microsecond ang karaniwang dephasing time habang naka-idle, o 10.3 milyonmilyon ng isang segundo.

Iniulat sa artikulo ang coherence time na humigit-kumulang 100 microsecond habang may pinapatakbong drive, mga sampung ulit ng dephasing time habang naka-idle. Nagbigay naman ng karaniwang sukat na humigit-kumulang 60 microsecond ang Hahn echo measurement, na gumagamit ng control sequence para kontrahin ang ilang uri ng dephasing. Inilalarawan ng bawat sukat ang mga qubit sa magkakaibang kondisyon ng pagpapatakbo.

Dahil maikli ang mga panahong ito, praktikal na pangangailangan ang sabayang pagkontrol. Kung paisa-isang patatakbuhin ng isang malaking processor ang bawat qubit, marami sa iba pa ang magsasayang ng mahalagang oras habang naka-idle. Kailangan din ng quantum error correction ang magkakaugnay na operasyon sa mga pangkat ng qubit para matukoy at mapangasiwaan ang mga error.

May kapalit na pagbaba ng katumpakan ang sabayang pagkontrol. Binanggit sa artikulo ng Nature Physics ang mga naunang eksperimento sa silicon at silicon germanium kung saan bumaba ang fidelity mula 99.95% tungong 99.5% nang dalawang qubit pa lamang ang sabay na pinatatakbo. Inusisa ng pangkat ng RIKEN ang pisikal na sanhi ng paghina at kung paano ito matutumbasan.

Ang epekto ng microwave sa likod ng mga error

Tinukoy ng mga mananaliksik ang AC Stark shift bilang pangunahing sanhi ng pagkawala ng katumpakan habang sabay-sabay na kinokontrol ang mga qubit. Maaaring baguhin ng microwave field ang mga epektibong energy level ng isang qubit kahit iba ang frequency nito sa frequency na ginagamit para tukuyin ang qubit na iyon.

Inilalarawan ng phase ng qubit ang ugnayan ng mga bahagi ng quantum state nito. Kapag nagbago ang pagitan ng mga energy level nito, nagbabago rin kung paano umuunlad ang phase sa paglipas ng panahon. Kapag nagkaroon ng hindi inaasahang pagbabago sa phase, kumikilos ang susunod na control pulse sa state na lumihis na sa nilalayong posisyon ng mga mananaliksik.

Direktang sinukat ng pangkat ang interference na ito sa pagitan ng mga qubit na tinawag na Q3 at Q4. Nagdulot ng phase shift na humigit-kumulang 0.0379 radian sa Q3 ang pagpapatakbo sa Q4, samantalang nagdulot naman ng shift na humigit-kumulang minus 0.0026 radian sa Q4 ang pagpapatakbo sa Q3. Magkakaiba ang mga epekto dahil magkaiba ang lakas ng microwave na kailangan para patakbuhin ang dalawang qubit sa magkaparehong bilis.

Humigit-kumulang ayon sa kuwadrado ng amplitude ng drive ang paglaki ng mga phase shift. Sa payak na paliwanag, maaaring magdulot ng halos apat na ulit na phase shift ang pagdodoble ng amplitude batay sa nasukat na ugnayan. Dahil dito, lalo pang kinailangang maingat na tumbasan ang mas malalakas na control signal.

Pinapalitan ng magkapares na sukat ang lumalaking pasanin sa calibration

Ipinaliwanag ni Yi-Hsien Wu, unang awtor na nagsagawa ng mga eksperimento noong PhD research niya, kung paano binawasan ng pangkat ang dami ng calibration na kailangan habang parami nang parami ang sabay-sabay na pinapatakbong qubit.

Sa halip na mangailangan ng magkakahiwalay na proseso ng calibration para sa bawat posibleng kombinasyon ng mga qubit, gumagamit ang aming paraan ng mga calibration sa pagitan ng magkapares na qubit para tumbasan ang mga hindi gustong phase shift.

Sinukat ng mga mananaliksik kung paano binabago ng pagpapatakbo sa isang qubit ang phase ng isa pa. Pagkatapos, pinagsama nila ang mga indibidwal na ambag para kalkulahin ang kailangang pagwawasto kapag sabay-sabay na pinatatakbo ang ilang qubit. Kinansela ng pagsasaayos sa mga microwave phase ang pangunahing mga hindi gustong shift. Kinakalibrate rin ng pangkat ang mga amplitude ng pulse para itama ang mga ikot na sobra o kulang ang laki.

Sinuportahan ng pagsubok sa Q2, Q3 at Q4 ang paraang ito. Tumugma sa kabuuan ng mga epektong hiwalay na sinukat mula sa bawat katabing qubit ang naipong phase sa Q3 nang sabay na pinatatakbo ang dalawang katabi nito. Sa pagpapatakbo sa lahat ng limang qubit, kapantay ng full calibration ang naging resulta ng magkapares na calibration, kahit sinusukat sa full calibration ang bawat qubit habang pinatatakbo ang apat na iba pa.

Inilalarawan sa preprint ng pangkat noong Hulyo 2025 na kuwadratikong lumalaki ang dami ng calibration kasabay ng bilang ng qubit, sa halip na eksponensiyal. Sa tantiya, kapag dinoble ang bilang ng qubit, mga apat na ulit naman ang magiging dami ng magkapares na calibration. Mas mabilis ang paglaki kung susukatin ang bawat posibleng kombinasyon ng pagpapatakbo, kaya lalo pang mahihirapan ang calibration sa mas malalaking array.

Nakatulong ang mas makinis na pulse para mapanatili ang katumpakan

Gumana ang calibration kasabay ng mga microwave pulse na maingat ang pagkakahubog. Gumamit ang mga mananaliksik ng Kaiser-window pulse, na mas makinis ang envelope kaysa sa karaniwang parihabang pulse. Pinipigilan ng hugis nito ang mga hindi gustong frequency component na maaaring makaistorbo sa mga katabing qubit.

Iniulat sa preprint ang indibidwal na primitive gate fidelity na humigit-kumulang 99.98% gamit ang parihabang pulse. Nang lumipat sa Kaiser-window pulse, lumampas sa 99.99% ang fidelity ng lahat ng limang qubit, at may ilan na umabot sa halos 99.999%. Ipinakikita ng paghahambing na ito na mahalaga rin ang hugis ng control signal, bukod pa sa frequency at lakas nito.

Sinuri ng pangkat ang performance sa pamamagitan ng randomized benchmarking. Sa paraang ito, isinasagawa ang mga sequence ng operasyong pinili nang sapalaran at sinusukat kung gaano kabilis bumababa ang posibilidad na makuha ang nilalayong resulta habang humahaba ang mga sequence. Tinataya ng pagbaba ang karaniwang gate fidelity.

Kailangan ding balansehin ang bilis ng gate. Mas matagal na nakalantad sa dephasing ang mga qubit kapag mabagal ang mga gate, samantalang nangangailangan naman ng mas malakas na microwave drive ang napakabilis na gate, na maaaring magpasok ng mas maraming ingay. Gumamit ang pag-aaral ng minimum na tagal na 83 nanosecond para sa indibidwal na kontrol, at itinakda sa 250 nanosecond ang sabay-sabay na mga gate sa eksperimento sa tatlong qubit para mabawasan ang pinakamataas na amplitude ng drive.

Ano pa ang naglilimita sa pagpapatakbo ng limang qubit

Nang sabay-sabay na patakbuhin ang lahat ng limang qubit, kinailangan ng mas malaking lakas ng microwave at bumaba ang fidelity sa bandang 99.9%. Iniugnay ng mga mananaliksik ang natitirang pagbaba pangunahin sa drive-induced decoherence, o paghina ng quantum coherence na kailangan sa pagkukuwenta.

Tinutugunan ng phase correction ang isang mahuhulaang shift na maaaring sukatin at tumbasan. Nangangailangan naman ang decoherence ng mga pagbabagong mas makapreserba sa quantum state habang tumatakbo ang operasyon. Kaya kabilang sa mga pokus ng susunod na mga pagpapahusay ang disenyo ng device, kasama ang micromagnet.

Inilarawan ni Camenzind ang natitirang limitasyong ito at ang mungkahing tugon ng pangkat.

Limitasyon ito, ngunit maaaring makatulong ang mga karagdagang pagpapahusay sa disenyo ng device para mabawasan ang pinagmumulan ng error na ito.

Ipinaliliwanag sa artikulo na nakadepende sa protocol ng error correction at sa mga uri ng ingay ang fidelity na kailangan para sa fault tolerance. Malawak na target para sa praktikal na pagpapatakbo ang mga halagang lampas 99.9%. Kailangan ding pagsamahin ng gumaganang sistema ang mga tumpak na gate at maaasahang pagsukat at paulit-ulit na error correction sa mas malaking array. Wala pang itinakdang iskedyul ang pangkat kung kailan maaabot ang yugtong iyon.

Mula sa unang manuskrito tungo sa mas malawak na layunin ng pananaliksik

Umusad ang gawain mula sa isang preprint hanggang sa paglalathala sa journal bago inanunsiyo ng RIKEN ang resulta. Narito ang mahahalagang petsa:

• Hulyo 16, 2025: Inilathala ng mga mananaliksik ang unang preprint, arXiv:2507.11918v1.
• Oktubre 15, 2026: Inilathala ng Nature Physics ang pag-aaral, na may DOI 10.1038/s41567-026-03466-2.
• Oktubre 16, 2026: Nilagyan ng RIKEN ng petsa ang English press release nito tungkol sa mga natuklasan.

Kabilang sa pagtutulungang ito ang mga mananaliksik mula sa RIKEN, National Taiwan University, ETH Zurich at QuTech sa Netherlands. Sinuportahan ng Japan Science and Technology Agency ang gawain sa ilalim ng proyektong Moonshot Goal 6 na JPMJMS256H, na nakatuon sa mga teknolohiya para sa isang silicon quantum computer na may fault tolerance.

Dahil tugma ang silicon sa mga matatag nang proseso sa paggawa ng semiconductor, may landas ang paraang ito tungo sa mas siksik na integrasyon. Nagdaragdag ang eksperimento ng estratehiya sa pagkontrol sa bentaheng iyon sa pagmamanupaktura: maaaring magsalo-salo ng microwave line ang ilang qubit, at maaaring itama ang mga hindi gustong interaksiyon ng phase ng mga ito gamit ang mga sukat sa pagitan ng magkapares na qubit.

Inilahad ni Seigo Tarucha, project manager ng proyektong silicon quantum computing sa ilalim ng Moonshot Goal 6 ng JST, ang mas pangmatagalang layunin.

Pangmatagalan naming layunin ang bumuo ng fault-tolerant na quantum computer na nakabatay sa silicon spin qubit, at mahalagang hakbang tungo roon ang maaasahang sabayang pagkontrol.

Mahahalagang Punto

• Kinontrol ng RIKEN at mga katuwang nito ang limang silicon spin qubit sa pamamagitan ng iisang pinagsasaluhang microwave line.
• Higit sa 99.99% ang indibidwal na gate fidelity, at may ilan na umabot sa halos 99.999%.
• Napanatili ng hanggang tatlong qubit ang fidelity na lampas 99.99% habang sabay-sabay na pinatatakbo; umabot sa humigit-kumulang 99.9% o mas mataas ang performance ng lahat ng limang qubit.
• Tinumbasan ng magkapares na calibration ang mga hindi gustong phase shift na dulot ng AC Stark effect.
• Nagdulot ng decoherence ang mas malakas na microwave power habang pinatatakbo ang lahat ng limang qubit, kaya pagpapahusay sa device ang susunod na teknikal na pokus.
• Inilathala ang pag-aaral sa Nature Physics noong Oktubre 15, 2026.