Пять кремниевых кубитов управляются одновременно и точно

Подробно

Что именно сделали исследователи?

Группа показала параллельное управление пятью электронными спиновыми кубитами в линейном массиве квантовых точек. Кубиты размещены в тонком слое изотопно обогащённого кремния-28 (гетероструктура 28Si/SiGe, яма толщиной 9 нм, остаточная доля кремния-29 - 800 ppm). Все пять управлялись через один общий микроволновый электрод. Кобальтовый микромагнит создавал градиент магнитного поля, поэтому частоты соседних кубитов различались примерно на 150 МГц при внешнем поле 0,42 Т, и каждый кубит можно было адресовать своей частотой.

Статья «Simultaneous high-fidelity single-qubit gates in a spin qubit array» поступила в журнал 4 ноября 2025 года, принята 26 августа 2026 года и опубликована 15 октября 2026 года. Авторы - Yi-Hsien Wu, Leon C. Camenzind, Patrick Bütler, Ik Kyeong Jin, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Giordano Scappucci, Hsi-Sheng Goan и Seigo Tarucha. Эксперимент проводили Wu, Camenzind и Bütler, устройство изготовил Noiri, гетероструктуру предоставил Scappucci, проектом руководил Tarucha.

Препринт работы появился на arXiv ещё 16 июля 2025 года, вторая версия - 15 июля 2026 года. Журнальная публикация, таким образом, подтверждает и рецензирует результат, который был публичен более года. Пересказ на ScienceDaily от 25 октября 2026 года подготовлен на основе материала RIKEN и не является независимым подтверждением.

Какая точность получена при одновременной работе?

Точность оценивали методом рандомизированного бенчмаркинга для примитивных одно-кубитных X/Y π/2-гейтов (базовых поворотов состояния кубита). По каждой длине последовательности использовали по 35 случайных последовательностей и по 350 одиночных измерений.

• При индивидуальном управлении все пять кубитов показали точность выше 99,99%, некоторые приблизились к 99,999%. Отдельный тест дал 99,9985(8)% для X-гейта и 99,995(1)% для Y-гейта.
• При одновременном управлении тремя кубитами (Q2, Q3, Q4) при длительности гейта 250 нс точность каждого осталась выше 99,99%.
• При одновременном управлении всеми пятью при длительности гейта 250 и 500 нс четыре кубита превысили 99,9%, а пятый (Q5) остался примерно на уровне 99,9%.

По таблице Extended Data, у Q1-Q4 в пятикубитном запуске точность лежит в диапазоне 99,91-99,978%, а у Q5 - около 99,82% при 250 нс и около 99,8% при 500 нс. Основной текст статьи округляет результат Q5 до «приблизительно 99,9%».

Важно: «около 99,9%» - это точность отдельных простейших операций каждого кубита во время параллельного запуска. Это не вероятность успеха всей пятикубитной операции и не точность вычисления.

В чём состоял главный технический барьер и как его обошли?

Основной причиной падения точности при параллельной работе авторы назвали AC-штарковские сдвиги. Сигнал, настроенный на один кубит, слегка смещает частоты соседних, и те накапливают фазовую ошибку.

Предложенная компенсация измеряет фазовый сдвиг отдельно для каждой упорядоченной пары кубитов, суммирует парные вклады и вносит противоположную поправку в фазу управляющего сигнала. Для N кубитов нужно N(N−1) парных калибровок вместо 2^N−N−1 комбинаций при полной характеристике перекрёстных помех.

Парную модель проверили на опыте: сумма отдельно измеренных сдвигов на Q3 от Q2 и Q4 совпала с результатом одновременного воздействия Q2 и Q4. Средний показатель степени в зависимости сдвига от амплитуды составил 1,91(5), что согласуется с примерно квадратичной зависимостью.

Метод использует калибровки между парами кубитов, чтобы компенсировать нежелательные фазовые сдвиги, вместо отдельной калибровки каждой возможной комбинации.

Так описал подход Yi-Hsien Wu, первый автор работы.

Какие ограничения у результата?

Слишком быстрые гейты при пяти кубитах упираются в декогеренцию (потерю квантового состояния), вызванную большой суммарной микроволновой мощностью. Более медленные гейты страдают от дефазировки из-за низкочастотного шума. Научный сотрудник RIKEN Leon Camenzind признал: «Это ограничение, но дальнейшие улучшения конструкции устройства могут помочь снизить этот источник ошибок».

Двухкубитные CZ-гейты в параллельном тесте не проверяли, а в этом устройстве их точность ниже 97% из-за смешивания спиновых и долинных состояний. Работа не демонстрирует квантовую коррекцию ошибок, логические кубиты, полезный алгоритм или готовый отказоустойчивый процессор. Точность порядка 10^-5 использованными последовательностями нельзя надёжно измерить.

Кроме того, пять кубитов давали только три бита информации за цикл считывания, поэтому каждую последовательность выполняли дважды с разными томографическими измерениями.

Можно ли масштабировать метод до десяти и более кубитов?

Авторы предполагают, что при гейтах по 500 нс существующая схема могла бы обслуживать примерно десять кубитов при той же суммарной мощности, что и пять кубитов при 250 нс. Эксперимент с десятью кубитами не проводился, это только оценка.

В открытом файле рецензирования Nature Physics рецензент №2 назвал работу значимым достижением и отметил, что это крупнейшая система такого типа с намного более высокой точностью, чем в прежних работах, но указал на трудности масштабирования и не вполне понятные механизмы декогеренции при радиочастотном управлении. Рецензент №3 счёл парную компенсацию существенным шагом, но усомнился, что результат на пяти несвязанных кубитах решает общую проблему: для связанных систем и двухкубитных гейтов может понадобиться дополнительная калибровка, а нагрев ограничивает число кубитов на общей линии. Независимых комментариев учёных, не связанных с авторами и рецензированием, найти не удалось.

Чем это отличается от прежних работ?

В 2022 году группа QuTech продемонстрировала универсальное управление шестью кремниевыми спиновыми кубитами, но вопрос сохранения качества при росте числа кубитов оставался открытым. В 2023 году в четырёхкубитном массиве дырочных спиновых кубитов в германии при параллельном управлении получили 99,905(8)% для двух кубитов и 99,34(4)% для четырёх. На этом фоне пять кремниевых кубитов с точностью около 99,9% и выше - заметный шаг вперёд.

Руководитель проекта Seigo Tarucha, директор группы RIKEN, называет долгосрочной целью отказоустойчивый квантовый компьютер на кремниевых спиновых кубитах и считает надёжное параллельное управление необходимым шагом к нему. Универсального порога отказоустойчивости в «99,9% всегда» нет: он зависит от кода коррекции ошибок, модели шума и качества двухкубитных гейтов, считывания, инициализации и простоя. Исходные данные работы открыто размещены в Zenodo.