Kiselspin-kvantbitar har länge varit kvantdatorernas lovande överpresterare: de kan tillverkas med samma halvledarmetoder som spottar ut dagens datachip, vilket är teknikens motsvarighet till att dyka upp på en galafest i en kostym du redan äger. Haken är förstås att när man försöker styra flera kvantbitar samtidigt blir deras operationer mindre exakta – lite som att valla katter, om katterna var subatomära och hade en benägenhet att fasförskjutas oväntat. Att bygga praktiska kvantdatorer i stor skala kräver att man styr många kvantbitar samtidigt och håller felen minimala, vilket har varit fältets långvariga "ja, men hur?"-problem.

Forskare vid RIKEN Center for Emergent Matter Science och deras samarbetspartner har nu gjort viktiga framsteg mot att lösa detta. I en studie publicerad i Nature Physics demonstrerade teamet mycket exakt styrning av flera kiselspin-kvantbitar som arbetar samtidigt. Deras experiment använde en matris med fem kvantbitar anslutna till en delad mikrovågskontrollinje – för tydligen uppskattar även kvantbitar effektiviteten hos en bra delad resurs. Genom att identifiera en stor felkälla vid samtidig drift utvecklade forskarna en teknik för att minska dessa fel och behålla precisionen, vilket bevisar att man faktiskt kan få både sina kvantbitar och styra dem också.

Leon Camenzind, forskare vid RIKEN och medförstaförfattare som övervakade experimenten, förklarade betydelsen: "Detta visar att hög trohet kan upprätthållas även när flera kvantbitar körs samtidigt och utgör ett viktigt steg mot att skala upp kiselbaserade kvantprocessorer." Vilket på forskarspråk betyder "vi fick det att fungera, och det är stort."

Till skillnad från konventionella datorer, som lagrar information som bitar representerande antingen 0 eller 1, använder kvantdatorer kvantbitar som kan existera i kombinationer av båda tillstånden – för varför välja ett när man kan vara obeslutsam på ett fundamentalt användbart sätt? Kiselspin-kvantbitar lagrar denna information med spinnet hos enskilda elektroner instängda i kisel. Att utföra tillförlitliga kvantberäkningar kräver extremt exakt kontroll över dessa elektronspinn, vilket är lättare sagt än gjort när man har att göra med kvantmotsvarigheten till ett rum fullt av småbarn.

Mikrovågssignaler ger den kontrollen, men att köra flera kvantbitar samtidigt kan skapa oönskade effekter som stör deras noggrannhet. Forskarna spårade mycket av problemet till ett fenomen som kallas AC Stark-förskjutning. Denna effekt uppstår när mikrovågskontrollsignaler ändrar en kvantbits effektiva energinivåer, vilket producerar förändringar i fasen hos dess kvanttillstånd. Dessa fasförskjutningar kan störa den avsedda operationen hos enskilda kvantbitar, särskilt när flera styrs samtidigt – ett klassiskt fall av för många kockar i kvantköket.

För att motverka problemet skapade teamet en kalibreringsmetod som kompenserar för dessa oönskade förskjutningar. Istället för att separat kalibrera varje möjlig kombination av kvantbitar – vilket skulle vara en kombinatorisk mardröm – bygger tekniken på kalibreringar utförda mellan par av kvantbitar. Detta gör metoden mer praktisk för system med större antal kvantbitar. "Istället för att kräva en helt separat kalibreringsprocedur för varje möjlig kombination av kvantbitar, använder vår metod kalibreringar mellan par av kvantbitar för att kompensera för de oönskade fasförskjutningarna", förklarar Yi-Hsien Wu, förstaförfattaren som utförde experimenten som en del av sin doktorandforskning. Med andra ord hittade de ett sätt att undvika att göra samma tråkiga uppgift i oändlighet, vilket är en vinst för effektiviteten och för Wus förstånd.

Forskarna kombinerade sin kalibreringsteknik med en förbättrad enhetsdesign och noggrant justerade mikrovågskontrollpulser. Deras resultat visade att exceptionellt hög noggrannhet kunde upprätthållas även när flera kvantbitar