2026年10月17日・3分で読める
Nature Physicsに掲載された研究で、RIKEN、National Taiwan University、ETH Zurich、TU Delftの研究者らが、単一の共有マイクロ波制御線を用いて、5量子ビットのシリコン（28Si/SiGe）量子ドットアレイ上での同時高忠実度単一量子ビット操作を実証しました。
論文（「同時高忠実度単一量子ビットゲート in a spin qubit array」）で詳述されている通り、研究チームはACシュタルクシフトを並列駆動クロストークの主な原因として特定し、5量子ビット同時動作中に99.9%以上のゲート忠実度を維持するN(N-1)ペアワイズ較正プロトコルを導入しました。
| [ 並列駆動条件下でのゲート忠実度性能 ] | |||
|---|---|---|---|
| 駆動条件/モード | 量子ビット対象 | 基本ゲート忠実度（Fp） | 主な運用特徴 |
| • 個別1量子ビット駆動（125 ns） | • Q1、Q2、Q3、Q4、Q5 | • 99.993% – 99.998% | • カイザー窓パルス整形。 |
| • 同時2量子ビット駆動 | • Q2-Q3 / Q3-Q4 / Q1-Q3 | • > 99.99% | • ACシュタルク位相補償。 |
| • 同時3量子ビット駆動 | • Q2-Q3-Q4 / Q1-Q3-Q5 | • > 99.99%（例：Q4で99.9966%） | • 250 nsパルス持続時間。 |
| • 同時5量子ビット駆動 | • 全5量子ビット（Q1～Q5） | • ≥ 99.90%（例：Q3で99.977%） | • 250および500 nsにわたって維持。 |
アイドル状態のシリコンスピン量子ビットは、駆動中の量子ビット（T2,R ≈ 100マイクロ秒）よりもはるかに速くデフェーズする（T2* ≈ 10マイクロ秒）ため、循環型量子誤り訂正（QEC）プロトコルを実行するには同時多量子ビット操作が必要です。しかし、以前は複数のスピン量子ビットを並列に駆動すると、ゲート忠実度が99.9%超から99.5%まで低下していました。
研究チームは、オフ共鳴マイクロ波駆動によって誘起されるACシュタルクシフトを並列ゲートエラーの主な原因として特定しました。結果として生じる位相シフト（Δφij）は線形に加算されるため、クロストークは個々の量子ビットペア間のペアワイズ位相蓄積を測定することで補償でき、そのスケーリングは2N-N-1ではなくN(N-1)となります。
- 99.9%のフォールトトレラント閾値を超える：全5量子ビットが、完全並列5量子ビット動作中に同時単一量子ビットゲート忠実度≥99.9%を維持し、2DサーフェスコードQECの最小要件を満たしました。
- 低残留交換相互作用（Joff < 16.6 kHz）：デカップリングCZシーケンス測定により、単一量子ビット駆動中に隣接する量子ドット間の残留交換相互作用が16.6 kHz未満に保たれることが確認されました。
- スケーラブルなQPUのための配線削減：単一のインピーダンス整合マイクロ波伝送線路を用いた高忠実度並列制御の実証により、物理的な配線密度と熱負荷が低減され、共有制御線あたり約10量子ビットのモジュール式シリコンスピン量子ビット単位セルをサポートします。
研究者らは、表面マイクロ磁石を統合型バックエンド・オブ・ライン（BEOL）ナノ磁石に置き換えることで、局所磁場勾配が2倍になり、より低いマイクロ波出力でより高速なゲート操作（2～3 MHz）が可能になり、商業用シリコン製造における10量子ビット並列制御モジュールへの道が開かれると指摘しています。
シリコン量子コンピュータで量子誤り訂正を実行するには、プロセッサが多数の量子ビットに対して同時に操作を実行する必要があります。しかし、量子ビットが順番待ちでアイドル状態にあると、その繊細な量子状態はマイクロ秒単位で急速に崩壊（デフェーズ）します。以前は、複数のシリコンスピン量子ビットを同時に制御するためにマイクロ波信号をオンにすると、深刻な干渉（クロストーク）が発生し、ゲート精度が急激に低下しました。RIKENの物理学者らは、このクロストークが「ACシュタルクシフト」—隣接するマイクロ波パルスによって引き起こされる量子ビット周波数の予測可能なシフト—によって引き起こされることを発見しました。これらのシフトが線形に加算されることを証明することで、研究チームは周波数シフトを相殺する単純なペアワイズ較正手法を開発しました。単一の共有マイクロ波制御線を使用して、最大3つのシリコン量子ビットを99.99%の精度で同時に操作し、全5量子ビットを≥99.9%の精度で操作することに成功しました—これは実用的な誤り訂正量子チップに必要なフォールトトレラント閾値を超えるものです。
Nature Physicsの研究論文はこちらで、Zenodoのオープンデータリポジトリはこちらで確認できます。
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