シリコン量子ビットの同時高精度操作を実現 -5量子ビットの並列操作において99.9%超の忠実度を維持-

2026-10-15 理化学研究所

理化学研究所などの国際共同研究チームは、シリコン半導体中の電子スピンを利用した量子ビット5個を同時に操作しながら、約99.9%の高い操作忠実度を維持する技術を実証した。シリコン量子ビットは既存の半導体製造技術との親和性が高く、大規模な量子コンピューターへの応用が期待される。一方、複数の量子ビットを同時に制御すると、制御信号が隣接する量子ビットにも影響し、動作周波数や位相がずれて操作精度が低下する問題があった。研究チームは、この主な原因が高周波制御信号によって生じる「ACシュタルク効果」であることを特定した。そこで、量子ビット間の位相ずれをペアごとに測定して補正するとともに、不要な周波数成分を抑えた制御パルスを組み合わせた。その結果、共通の高周波電極1本から5量子ビットを並列制御でき、3量子ビットの同時操作では99.99%超の忠実度を達成した。配線数や制御の複雑さを抑えながら、多数の量子ビットを高精度に操作するための基盤技術となる。

シリコン量子ビットの同時高精度操作を実現 -5量子ビットの並列操作において99.9%超の忠実度を維持-
図1 シリコン量子ビットデバイスの模式図

<関連情報>

スピン量子ビットアレイにおける同時高忠実度単一量子ビットゲート Simultaneous high-fidelity single-qubit gates in a spin qubit array

Yi-Hsien Wu, Leon C. Camenzind, Patrick Bütler, Ik Kyeong Jin, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Giordano Scappucci, Hsi-Sheng Goan & Seigo Tarucha
Nature Physics Published:15 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-026-03466-2

Abstract

Silicon spin qubits offer a promising path to scalable quantum computing due to their compatibility with industrial semiconductor manufacturing. A key requirement for scaling quantum processors is the ability to perform high-fidelity operations in parallel across many qubits. However, simultaneous control remains a major challenge in silicon devices, as fidelities typically degrade under parallel operation. Here we identify microwave-drive-induced a.c.-Stark shifts as the dominant source of this degradation in a five-qubit silicon spin array. We address this by introducing a scalable mitigation protocol based solely on pairwise phase calibrations. Using tailored control pulses on a shared control line, we achieve primitive X and Y gate fidelities well above 99.99% for each qubit individually, with some approaching 99.999%. Furthermore, these fidelities are preserved above 99.99% during simultaneous operation of up to three qubits. During parallel five-qubit operation, fidelities remain above the widely targeted fault-tolerant threshold of 99.9%. By maintaining high-fidelity control during simultaneous operation, shared qubit-control lines can support the development of large-scale semiconductor quantum processors.

1601コンピュータ工学
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