量子計算領域長期存在一個不易察覺卻十分關鍵的難題：矽自旋量子位元單獨操控時精度很高，但一旦多個量子位元同時工作，操作精度就會明顯下降。日本理化學研究所（RIKEN）新興物質科學中心的研究人員與合作伙伴在《自然·物理》上發表成果，找到了這一問題的部分根源，並給出了可行的補償方案。
矽自旋量子位元之所以備受關注，是因為它們可以利用製造現代計算機晶片的半導體工藝來生產，具備規模化製造的潛力。然而，要建造真正實用的大型量子計算機，就必須同時控制大量量子位元，同時把錯誤率壓到極低水平。此前，多位元並行操控帶來的精度損失被視為擴充套件道路上的一大障礙。
研究團隊在實驗中使用了由五個量子位元組成的陣列，這些量子位元連線在同一條共享的微波控制線上。共享控制線能減少佈線複雜度，但也意味著不同量子位元的訊號會相互影響。研究人員發現，誤差的重要來源之一是交流斯塔克位移：微波控制訊號會改變數子位元的有效能級，從而引起量子態相位的變化，干擾原本設定的操作。
針對這一效應，團隊開發了一種校準方法，用來抵消不需要的相位偏移。該方法的關鍵在於，不必為每一種可能的量子位元組合單獨進行校準，而是藉助量子位元兩兩之間的校準資料來推算補償量。第一作者Yi-Hsien Wu表示，這種成對校準方式讓方法在位元數量增加時仍然具有可操作性，而不至於因組合數量爆炸而變得難以管理。
在改進器件設計並精細調整微波控制脈衝之後，團隊測試了系統的表現。單個量子位元單獨執行時，單位元門保真度全部高於99.99%，最高接近99.999%。當三個量子位元同時執行時，保真度仍保持在99.99%以上；即便五個量子位元全部同時受控，精度也維持在約99.9%，已接近實用容錯量子計算所需的水準。
不過，新方法並未完全消除誤差。研究人員發現，剩餘的精度損失與驅動導致的退相干有關，這是由於同時操控多個量子位元需要更大的微波功率。與相位偏移不同，退相干意味著量子相干性的喪失，會直接影響計算的可靠性。共同第一作者Leon Camenzind坦言，這仍是一項限制，但透過進一步改進器件設計有望減輕這一誤差來源。
這項工作的意義在於，它表明同時操控多個矽自旋量子位元並不必然要以大幅犧牲精度為代價。若能為每個量子位元配備獨立控制系統，器件會變得越來越複雜、難以管理；而共享微波控制線則提供了一條更實際的擴充套件路徑。Camenzind指出，該研究支援將共享控制線作為擴充套件量子處理器的實用方案，再結合矽與現有半導體制造工藝的相容性，有望推動更大規模、能執行更復雜計算的量子處理器的發展。
團隊的長期目標是構建基於矽自旋量子位元的容錯量子計算機。專案負責人Seigo Tarucha表示，可靠的並行控制是實現這一目標必不可少的步驟。所謂容錯量子計算機，是指在存在噪聲和擾動的情況下仍能可靠完成計算的機器，而這需要對大量量子位元進行精確而穩定的控制。