在日本埼玉县和光市，理化学研究所（RIKEN）的研究人员正在尝试解决量子计算领域一个看似简单的问题：如果一个量子比特能够被精确控制，那么五个量子比特同时运行，为什么会变得如此困难？

答案与现代计算机工程面临的问题有些相似。

控制单个元件是一回事，让大量元件在有限空间内共享线路、互不干扰地运行，则是另一回事。

10月15日发表在《自然·物理学》（Nature Physics）的一项研究中，RIKEN研究团队报告，他们利用共享微波控制线路，实现了五个硅自旋量子比特的并行操作，并通过一种新的校准方法，将操作保真度维持在约99.9%的水平。

研究人员还报告，经过优化的单量子比特门操作保真度达到约99.999%。

这两个数字之间的差别，看起来只有小数点后几位，却揭示了量子计算最棘手的挑战之一。

单个量子比特可以表现得非常出色，但当多个量子比特需要一起工作时，控制误差往往会迅速增加。

而真正有用的量子计算机，需要的不是几个表现完美的孤立量子比特，而是成千上万、甚至更多能够协同运行的量子比特。

为什么99.9%如此重要？

量子计算机与普通计算机有一个根本区别。

传统计算机使用比特储存信息，每个比特通常表示0或1。量子计算机使用量子比特，它可以处于不同量子态的叠加之中，并通过量子纠缠完成某些特殊计算。

这种特性赋予量子计算潜在优势，但也让它极其脆弱。

温度变化、电磁干扰以及控制信号的微小偏差，都可能破坏量子态，使计算出现错误。

因此，研究人员必须尽可能提高每一次量子操作的准确程度。

所谓99.9%的门保真度，意味着在特定实验测量方法下，操作与理想量子门之间的平均偏差非常小。

但这不等于一台量子计算机运行一千次完整程序，就一定只有一次失败。完整计算还受到双量子比特门、初始化、测量、等待时间和错误关联性的影响。

99.9%之所以受到关注，是因为它接近许多量子纠错架构所采用的实用性能目标。

研究论文也特别强调，这不是适用于所有量子计算系统的统一门槛。能否实现容错计算，取决于具体纠错码和噪声模型。

真正的难题：五个量子比特会互相干扰

在实验中，研究人员使用的是硅自旋量子比特。

它们利用硅材料中电子的自旋状态储存量子信息，并通过微波信号控制这些状态。

为了降低未来大规模芯片的线路复杂度，研究团队让五个量子比特共享一条微波控制线路。

这种设计具有工程吸引力。

如果每增加一个量子比特，都必须配备一整套独立控制线路，那么芯片规模越大，线路和控制设备就会越复杂。

但共享线路带来了串扰问题。

当研究人员试图控制其中一个量子比特时，施加的微波信号也可能影响其他量子比特。

这种影响会造成所谓的交流斯塔克位移（AC Stark shift），改变其他量子比特的相位演化。

相位偏差在单次操作中可能非常微小，却会在连续运算中积累，最终降低计算准确性。

此前，类似硅量子比特系统在仅仅两个量子比特并行操作时，保真度就曾从约99.95%下降到99.5%。

这次研究的关键进展，是找到造成性能下降的主要原因，并提出一种能够有效补偿相位误差的方法。

不必逐一校准所有组合

研究人员提出的解决方法，并不是为五个量子比特所有可能的同时操作组合分别建立校准方案。

他们发现，相关相位误差可以通过量子比特之间的成对测量进行补偿。

这种方法大幅降低了校准的复杂程度。

如果有 \(N\) 个量子比特，完整检查所有多量子比特驱动组合所需处理的组合数可能随数量呈指数增长；论文中的成对校准方案则只需要按 \(N(N-1)\) 的规模增加校准项目。

两种增长方式的区别，在量子比特数量较少时并不十分显著。

但当芯片规模扩大时，差距就会迅速增加。

研究团队还优化了微波控制脉冲，使五个量子比特在单独操作时均实现超过99.99%的门保真度，其中部分接近99.999%。

在最多三个量子比特同时操作时，保真度仍保持在99.99%以上。

当五个量子比特全部并行运行时，操作保真度也保持在99.9%以上。

这正是论文最重要的实验结果：研究人员没有通过放弃并行控制来维持准确度，而是在共享线路的条件下，找到了控制误差的方法。

为什么硅材料如此重要？

量子计算领域存在多条技术路线。

IBM和Google等企业长期投入超导量子比特研究，另一些团队则探索离子阱、光子以及中性原子等方案。

硅自旋量子比特的吸引力，在于它与传统半导体产业之间的联系。

今天的计算机、智能手机和数据中心芯片，大多建立在成熟的硅基半导体制造技术之上。

如果量子比特能够采用与这些工艺兼容的技术生产，那么未来大规模制造量子芯片时，便有机会利用现有的设备、材料体系和工业经验。

2025年发表于《自然》的一项研究，已经展示了在300毫米工业晶圆制造环境中生产硅自旋量子比特的可行性。

不过，这并不意味着普通芯片工厂只需要更换设计图，就能立即生产实用量子计算机。

RIKEN此次实验采用的是经过同位素纯化的硅-28/硅锗量子阱结构，还需要特殊的纳米制造工艺、微磁体、精密控制电子设备和低温运行环境。

现有半导体产业能够提供重要基础，但商业化仍需要专门的工艺优化和设备投资。

“无需新建晶圆厂”可以作为一种长期制造愿景，却不能视为这项研究已经证明的商业结论。

五个量子比特，距离实用计算机还有多远？

这项研究解决的是量子计算机控制架构中的一个重要问题，而不是全部问题。

一台能够执行复杂量子算法的机器，不仅需要高精度的单量子比特门，还需要可靠的双量子比特门、量子态初始化、读出以及持续运行的纠错系统。

研究团队也承认，五个量子比特同时操作时，仍然受到微波驱动引起的退相干和较长门操作时间下相位噪声的限制。

论文认为，现有架构的共享控制方案有望扩展到约十个量子比特的局部单元，但这属于根据实验结果作出的扩展判断，并非已经完成的十量子比特并行演示。

更大规模的处理器，还需要将许多这样的单元连接起来。

因此，不能将此次成果理解为日本已经制造出一台容错量子计算机。

它更像是研究人员找到了一种更有效的方法，让多个量子比特在共享控制线路时仍能保持足够高的精度。

这项进展或许不如宣布拥有数千个量子比特那样引人注目，却可能对未来芯片设计更有实际意义。

因为量子计算机最终需要解决的，不是如何制造尽可能多的量子比特，而是如何让它们在执行真实计算时，持续保持可靠。

在这一点上，RIKEN的五量子比特实验提供了新的证据。

量子计算真正的突破，不只是让一台机器拥有更多量子比特，而是让每一个新增的量子比特，不再成为其他量子比特的负担。