シリコンスピン量子ビットは長らく量子コンピューティングの有望なオーバーアチーバーであり続けてきた。今日のコンピューターチップを量産するのと同じ半導体製造方法で製造できるのだ。これは、すでに持っているスーツでブラックタイのイベントに現れるような、技術的な意味での話である。もちろん、落とし穴は、複数の量子ビットを同時に制御しようとすると、その操作の精度が低下することだ。まるで猫の群れを追い立てるようなもので、もしその猫が亜原子サイズで、予期せぬ位相シフトを起こす傾向があったら、なおさらだ。実用的な大規模量子コンピューターを構築するには、多くの量子ビットを同時に制御しつつ、エラーを最小限に抑える必要がある。これがこの分野の長年の「はい、でもどうやって？」問題だった。

理化学研究所創発物性科学研究センターの研究者たちとその共同研究者は、この問題の解決に向けて重要な進歩を遂げた。Nature Physicsに発表された研究で、チームは複数のシリコンスピン量子ビットを同時に動作させながら、高度に正確な制御を実証した。実験では、共有のマイクロ波制御線に接続された5つの量子ビットのアレイを使用した。どうやら量子ビットでさえも、優れた共有リソースの効率性を評価するらしい。同時操作中のエラーの主な原因を特定することで、科学者たちはそれらのエラーを低減し、精度を維持する技術を開発した。つまり、量子ビットを持ちながら制御することも実際に可能であることを証明したのだ。

実験を監督した理化学研究所の研究科学者で共同筆頭著者のLeon Camenzindは、その重要性を説明した。「これは、複数の量子ビットを同時に操作しても高い忠実度の制御を維持できることを示しており、シリコンベースの量子プロセッサのスケールアップに向けた重要な一歩です。」これは科学者言葉で「我々はそれを機能させた、そしてそれは大したことだ」という意味である。

従来のコンピューターが情報を0か1かを表すビットとして保存するのとは異なり、量子コンピューターは量子ビット（qubit）を使用し、両方の状態の組み合わせで存在できる。なぜなら、基本的に有用な方法で優柔不断になれるのに、なぜ一つを選ぶ必要があるのか？シリコンスピン量子ビットは、シリコン内に閉じ込められた個々の電子のスピンを使用してこの情報を保存する。信頼性の高い量子計算を実行するには、これらの電子スピンを極めて正確に制御する必要がある。しかし、これは満員の幼児でいっぱいの部屋の量子版を扱うとなると、言うは易く行うは難しである。

マイクロ波信号がその制御を提供するが、複数の量子ビットを同時に操作すると、不要な効果が生じて精度を妨げる可能性がある。研究者たちはこの問題の多くを、ACシュタルクシフトと呼ばれる現象に突き止めた。この効果は、マイクロ波制御信号が量子ビットの実効エネルギー準位を変化させ、その量子状態の位相に変化を生じさせる。これらの位相シフトは、特に複数が同時に制御されている場合、個々の量子ビットの意図された操作を妨害する可能性がある。量子のキッチンにコックが多すぎる典型的なケースだ。

この問題に対抗するため、チームはこれらの不要なシフトを補償する較正方法を考案した。考えられるすべての量子ビットの組み合わせを個別に較正するのではなく（それは組み合わせの悪夢になるだろう）、この技術は量子ビットのペア間で行われる較正に依存している。これにより、より多くの量子ビットを含むシステムに対してアプローチがより実用的になる。「考えられるすべての量子ビットの組み合わせに対して完全に別個の較正手順を必要とする代わりに、私たちの方法は量子ビットのペア間の較正を使用して、不要な位相シフトを補償します」と、博士課程の研究の一環として実験を行った第一著者のYi-Hsien Wuは説明する。言い換えれば、彼らは同じ退屈な作業を無限に繰り返すことを避ける方法を見つけた。これは効率性とWuの正気にとっての勝利である。

研究者たちは、彼らの較正技術を改良されたデバイス設計と慎重に調整されたマイクロ波制御パルスと組み合わせた。その結果、複数の量子ビット