量子计算领域长期存在一个不易察觉却十分关键的难题：硅自旋量子比特单独操控时精度很高，但一旦多个量子比特同时工作，操作精度就会明显下降。日本理化学研究所（RIKEN）新兴物质科学中心的研究人员与合作伙伴在《自然·物理》上发表成果，找到了这一问题的部分根源，并给出了可行的补偿方案。
硅自旋量子比特之所以备受关注，是因为它们可以利用制造现代计算机芯片的半导体工艺来生产，具备规模化制造的潜力。然而，要建造真正实用的大型量子计算机，就必须同时控制大量量子比特，同时把错误率压到极低水平。此前，多比特并行操控带来的精度损失被视为扩展道路上的一大障碍。
研究团队在实验中使用了由五个量子比特组成的阵列，这些量子比特连接在同一条共享的微波控制线上。共享控制线能减少布线复杂度，但也意味着不同量子比特的信号会相互影响。研究人员发现，误差的重要来源之一是交流斯塔克位移：微波控制信号会改变量子比特的有效能级，从而引起量子态相位的变化，干扰原本设定的操作。
针对这一效应，团队开发了一种校准方法，用来抵消不需要的相位偏移。该方法的关键在于，不必为每一种可能的量子比特组合单独进行校准，而是借助量子比特两两之间的校准数据来推算补偿量。第一作者Yi-Hsien Wu表示，这种成对校准方式让方法在比特数量增加时仍然具有可操作性，而不至于因组合数量爆炸而变得难以管理。
在改进器件设计并精细调整微波控制脉冲之后，团队测试了系统的表现。单个量子比特单独运行时，单比特门保真度全部高于99.99%，最高接近99.999%。当三个量子比特同时运行时，保真度仍保持在99.99%以上；即便五个量子比特全部同时受控，精度也维持在约99.9%，已接近实用容错量子计算所需的水准。
不过，新方法并未完全消除误差。研究人员发现，剩余的精度损失与驱动导致的退相干有关，这是由于同时操控多个量子比特需要更大的微波功率。与相位偏移不同，退相干意味着量子相干性的丧失，会直接影响计算的可靠性。共同第一作者Leon Camenzind坦言，这仍是一项限制，但通过进一步改进器件设计有望减轻这一误差来源。
这项工作的意义在于，它表明同时操控多个硅自旋量子比特并不必然要以大幅牺牲精度为代价。若能为每个量子比特配备独立控制系统，器件会变得越来越复杂、难以管理；而共享微波控制线则提供了一条更实际的扩展路径。Camenzind指出，该研究支持将共享控制线作为扩展量子处理器的实用方案，再结合硅与现有半导体制造工艺的兼容性，有望推动更大规模、能执行更复杂计算的量子处理器的发展。
团队的长期目标是构建基于硅自旋量子比特的容错量子计算机。项目负责人Seigo Tarucha表示，可靠的并行控制是实现这一目标必不可少的步骤。所谓容错量子计算机，是指在存在噪声和扰动的情况下仍能可靠完成计算的机器，而这需要对大量量子比特进行精确而稳定的控制。