一條控制線、五個量子位元，以及抑制非預期干擾的方法
日本理化學研究所（RIKEN）新興物質科學中心的研究人員及其合作夥伴，透過一條共用微波線路操作五個矽量子位元，同時將各自操作的準確度維持在約99.9%或更高。最多三個量子位元同時操作時，每個量子位元的準確度都超過99.99%，解決了長久以來讓更大型矽量子處理器難以控制的問題。
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這項研究於2026年10月15日刊登於《自然物理學》（Nature Physics），指出微波訊號本身是干擾的主要來源。原本要傳送給某個量子位元的訊號，會改變其他量子位元的操作條件。研究團隊測量了量子位元兩兩之間這些非預期的變化，再調整控制訊號加以補償。
這項成果結合了兩個必須一併解決的問題：維持量子操作的準確度，以及減少控制處理器所需的線路數量。共用微波線路簡化了控制架構，而校準方法則有助於在多個量子位元同時運作時維持準確度。
負責監督實驗的RIKEN研究科學家、共同第一作者萊昂・卡門辛德（Leon Camenzind），在RIKEN於10月16日發布的英文新聞稿中說明這項進展。
這顯示，即使同時操作多個量子位元，仍能維持高保真度控制，是擴展矽量子處理器的重要一步。
準確度數據代表什麼
刊於《自然物理學》的論文題為〈自旋量子位元陣列中的高保真度單量子位元閘同步操作〉（Simultaneous High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Spin Qubit Array），報告了稱為「閘」的基本操作測量結果。閘會改變量子位元的量子態；保真度則描述操作結果與預期結果的吻合程度。
五個量子位元個別操作的閘保真度都遠高於99.99%，部分接近99.999%。最多三個量子位元同步操作時，保真度仍高於99.99%。論文指出，五個量子位元全部同步操作時，表現為99.9%或更高；RIKEN則將這項結果概述為約99.9%。
小數點後多出一位很重要。以100%減去保真度，可得平均閘錯誤率：99.9%相當於0.1%，99.99%則相當於0.01%。從前者提升到後者，這項錯誤率指標降低了十倍。量子錯誤更正仰賴在大量操作中將這類錯誤維持在低水準。
研究團隊測量了基本的X閘和Y閘，這些操作會讓單一量子位元的量子態繞不同軸旋轉，是構成量子電路的基本元件。多個這類閘同步操作，能讓處理器不同部分協同運作，而不必排隊等候。
矽裝置如何運作
五個量子位元位於稱為量子點的微小區域內，這些區域由矽和矽鍺構成。金屬電極負責建立並控制這些受限區域。資訊編碼於電子自旋這項量子性質中，並可利用微波訊號操控。
這款裝置採用富集同位素矽-28的矽材料。RIKEN的日文研究公告說明，矽-28沒有核自旋，有助於為承載資訊的電子自旋提供較穩定的磁環境。
三層彼此重疊的鋁閘極構成量子位元陣列。小型鈷磁鐵在裝置上形成變化的磁場，使相鄰量子位元的操作頻率相差約150兆赫。這些頻率差異讓研究人員即使讓量子位元共用微波電極，仍能個別控制它們。
共用線路傳送組合式微波脈衝，分別用於不同量子位元。其他工作仍由獨立電極負責，包括塑造量子點及調整量子點之間的交互作用。減少的是微波控制基礎設施的線路，這是擴大此類處理器時的難點之一。
量子位元為何不能單純輪流操作
矽自旋量子位元在等待時，量子態之間精確的關係會逐漸消失。這種現象稱為退相干，可能在下一個操作開始前就破壞資訊。在這款裝置中，平均閒置退相干時間約為10.3微秒，也就是1,030萬分之一秒。
論文指出，量子位元在驅動操作時的相干時間約為100微秒，是閒置退相干時間的十倍左右。使用控制序列抵銷部分退相干效應的哈恩回波測量，平均結果約為60微秒。這些測量分別反映量子位元在不同操作條件下的表現。
如此短的時間使平行控制成為實際上的必要條件。若大型處理器逐一操作量子位元，許多其他量子位元就會耗費寶貴時間閒置。量子錯誤更正也需要不同量子位元群組協同操作，以偵測並處理錯誤。
然而，平行控制過去會以犧牲準確度為代價。《自然物理學》論文引用先前矽及矽鍺實驗指出，僅有兩個量子位元同步操作時，保真度便從99.95%降至99.5%。RIKEN團隊探究了造成劣化的物理原因，以及補償方法。
造成錯誤的微波效應
研究人員指出，交流史塔克位移（AC Stark shift）是平行控制時準確度下降的主要原因。即使微波場的頻率與用來控制特定量子位元的頻率不同，仍可能改變該量子位元的有效能階。
量子位元的相位描述其量子態各個成分之間的關係。能階間距改變，會影響相位隨時間演化的方式。非預期的相位位移，代表下一個控制脈衝作用於已偏離研究人員預期狀態的量子位元。
研究團隊直接測量了標記為Q3和Q4的量子位元之間的干擾。驅動Q4會使Q3產生約0.0379弧度的相位位移；驅動Q3則會使Q4產生約負0.0026弧度的位移。兩者受到的影響不相同，反映出要讓兩個量子位元以相同速度操作，所需的微波功率並不一樣。
相位位移約與驅動振幅的平方成正比。簡單來說，依照測得的關係，振幅加倍可能使相位位移約增至四倍。因此，控制訊號越強，就越需要仔細補償。
成對測量減輕日益增加的校準負擔
負責進行實驗的第一作者、博士研究期間參與這項工作的吳怡賢（Yi-Hsien Wu），說明團隊如何在同步操作更多量子位元時減少校準需求。
我們的方法不必為每一種可能的量子位元組合各自進行一套完整的校準程序，而是利用量子位元兩兩之間的校準，補償非預期的相位位移。
研究人員測量操作一個量子位元時如何改變另一個量子位元的相位，再將各項影響加總，計算多個量子位元同步操作時所需的修正量。調整微波相位可抵銷主要的非預期位移；團隊也校準了脈衝振幅，以修正旋轉幅度過大或過小的情況。
Q2、Q3和Q4的測試結果支持這套方法。當Q3的兩個鄰近量子位元同步操作時，Q3累積的相位與分別測量每個鄰近量子位元所造成的影響總和相符。五個量子位元全部操作時，成對校準的效果與完整校準相當；完整校準會在其他四個量子位元受到驅動時，逐一測量各個量子位元。
研究團隊於2025年7月發布的預印本指出，校準工作量會隨量子位元數量呈二次方增加，而非指數增加。粗略而言，量子位元數量加倍，成對校準的工作量約增至四倍。若測量所有可能的操作組合，工作量會增加得快得多，使大型陣列的校準愈發困難。
平滑脈衝有助維持精度
校準方法搭配了經過精細調整的微波脈衝。研究人員使用凱瑟窗脈衝（Kaiser-window pulses），其振幅包絡比傳統矩形脈衝平滑。這種形狀能抑制可能干擾鄰近量子位元的非預期頻率成分。
預印本指出，使用矩形脈衝時，單一基本閘的保真度約為99.98%。改用凱瑟窗脈衝後，五個量子位元的保真度都提升至99.99%以上，部分接近99.999%。這項比較顯示，控制訊號的形式與其頻率和強度同樣重要。
研究團隊以隨機基準測試評估表現。這種方法會施加隨機選取的操作序列，並測量序列變長時，得到預期結果的機率下降得有多快。這種下降幅度可用來估算平均閘保真度。
閘的速度也必須取得平衡。閘速度較慢，量子位元暴露於退相干的時間就較長；閘速度極快，則需要更強的微波驅動，可能引入更多雜訊。這項研究將單獨控制的最短閘操作時間設為83奈秒；在三個量子位元的實驗中，則將同步操作的閘時間設為250奈秒，以降低峰值驅動振幅。
仍限制五個量子位元同步操作的因素
五個量子位元同步驅動時需要更大的微波功率，保真度也降至接近99.9%。研究人員認為，剩餘的準確度損失主要來自驅動誘發的退相干，也就是計算所需量子相干性的減弱。
相位修正能處理可測量並抵銷的可預測位移；至於退相干，則需要改進設計，讓操作過程更能維持量子態。因此，微磁鐵等裝置設計是後續改善的重點。
卡門辛德說明了這項尚待克服的限制，以及團隊提出的應對方向。
這是一項限制，但進一步改善裝置設計，應有助於減輕這項誤差來源。
論文指出，容錯所需的保真度取決於錯誤更正協定及雜訊類型。實際操作通常以高於99.9%的數值為目標。可行的系統還必須結合精準閘操作、可靠測量，以及在更大型陣列中反覆進行錯誤更正。研究團隊尚未公布達成這個階段的時間表。
從初版論文到更長遠的研究目標
這項成果先以預印本形式發表，後刊登於學術期刊，之後RIKEN才公布研究結果。主要日期如下：
- 2025年7月16日：研究人員發布第一版預印本，編號arXiv:2507.11918v1。
- 2026年10月15日：《自然物理學》刊登研究，DOI為10.1038/s41567-026-03466-2。
- 2026年10月16日：RIKEN發布英文新聞稿，介紹研究成果。
合作團隊包括RIKEN、國立臺灣大學、蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）及荷蘭QuTech的研究人員。日本科學技術振興機構透過Moonshot目標6計畫JPMJMS256H支持這項研究；該計畫聚焦於具容錯能力的矽量子電腦技術。
矽與既有半導體製程相容，讓這項技術有機會實現高密度整合。這項實驗則在製程優勢之外增添了控制策略：多個量子位元可共用一條微波線路，並透過量子位元兩兩之間的測量，修正它們交互作用所造成的非預期相位位移。
日本科學技術振興機構Moonshot目標6矽量子運算計畫的專案經理田口誠吾（Seigo Tarucha），說明了長期目標。
我們的長期目標是打造以矽自旋量子位元為基礎的容錯量子電腦，而可靠的平行控制是達成這項目標不可或缺的一步。
重點整理
- RIKEN及合作夥伴透過一條共用微波線路控制五個矽自旋量子位元。
- 單一閘的保真度超過99.99%，部分接近99.999%。
- 最多三個量子位元同步操作時，保真度仍高於99.99%；五個量子位元全部操作時，保真度約為99.9%或更高。
- 成對校準補償了交流史塔克效應造成的非預期相位位移。
- 五個量子位元同步操作需要較大的微波功率，因而引發退相干；下一步技術重點是改善裝置設計。
- 研究於2026年10月15日刊登於《自然物理學》。
