日本理化学研究所（RIKEN）新兴物质科学中心研究人员攻克了硅基量子计算领域的一项长期工程难题：此前，当多个量子比特共享同一根微波控制线时，保真度往往会发生崩溃。该团队于2026年10月15日在《自然·物理》杂志发表研究，展示了五颗硅自旋量子比特在同一根微波线上并行运行，且整体保持了容错所需的保真度水平。这一成果直接针对阻碍硅基量子处理器扩展至实用化所需数千个量子比特的布线瓶颈。
实验数据表明，当团队同时运行三个量子比特时，每个量子比特的单量子比特门保真度均超过99.99%，达到或超过了表面码纠错所要求的实用阈值。当五个量子比特全部同时运行时，其中四个的保真度超过99.9%，第五个也接近该水平。这两项基准测试均处于或高于量子纠错研究人员所称的“实用容错阈值”，即低于此水平时纠错开销将变得不可行。
论文预印本显示，所有五个量子比特在单独操作时，原始门保真度均远高于99.99%（部分接近99.999%），超越了此前报告的硅自旋量子比特基准；而在完全并行的五量子比特操作期间，保真度仍维持在99.9%的实用容错阈值以上。
硅自旋量子比特通过被困在纳米结构量子点中的单个电子自旋状态编码量子信息。控制这些自旋需要微波脉冲，但稀释制冷机对可容纳的同轴电缆数量有严格限制，使得每量子比特独立布线成为扩展天花板。让多个量子比特共享一根线路虽能绕过限制，却会引入交流斯塔克位移（AC Stark shift）：一个量子比特的微波脉冲泄漏到邻居，改变其共振频率，导致相位偏移累积并降低保真度。
此前实验中，共享线路上的并行操作保真度曾降至约99.5%，低于容错阈值。RIKEN团队确定交流斯塔克位移是主要成因，并设计了一套专门针对其数学特性的校准协议。关键洞察在于，任意给定量子比特上的交流斯塔克相位偏移是独立且可加的。这意味着只需测量成对相互作用——N个量子比特共需N(N-1)次校准——而非表征所有可能的同时驱动组合，后者呈指数级增长。
对于五个量子比特，团队仅需20次成对校准，而非32种组合配置。结合将传统矩形微波脉冲切换为凯泽窗（Kaiser-window）形状脉冲，大幅减少了频谱泄漏。这两种技术的结合使所有五个量子比特的单量子比特门保真度均超过99.99%，最佳量子比特达到99.9987%。
在五量子比特共享一根微波线的架构中，每个量子比特所需的阻抗控制线路减少至原来的五分之一。团队分析表明，在当前器件架构下，这种扩展能力可延伸至每根线路十个量子比特，而保真度不会低于容错阈值。共同第一作者Leon Camenzind表示，这支持将共享控制线路作为扩大量子处理器规模的实用方法。
然而，这一成果并非并行控制问题的完整解决方案。当五个量子比特同时运行时，共享线上的总微波功率增加，引入了校准协议未解决的额外退相干。Camenzind指出，这是由微波加热量子点环境引起的量子相干随机损失，需通过器件设计改进来减轻。
团队分析指出，当前器件使用间距为400纳米的钴微磁体。模拟显示，将微磁体间隙缩小至200纳米或将纳米磁体直接集成到栅极层中，可提高磁场梯度强度，在相同或更低微波功率下实现更快门操作，从而减少驱动诱导的退相干，可能将五量子比特并行保真度推高至99.99%以上。
硅自旋量子比特凭借晶体管级的 footprint，原则上可使用现有半导体代工工艺在芯片上集成数百万个量子比特。尽管多年来在高保真度操作方面落后于超导电路和捕获离子系统，但近期进展显著。2022年，RIKEN、QuTech和新南威尔士大学已展示双量子比特门保真度超过99%的硅自旋量子比特。
商业兴趣紧随技术进步。IBM在2026年7月完成对HRL Laboratories的收购，部分动力来自HRL的硅自旋量子比特知识产权。日立也已承诺实施硅量子计算路线图，目标是在2028财年实现100个量子比特，并在2030财年实现1,000个量子比特规模的设备。RIKEN硅量子计算项目负责人Seigo Tarucha表示，可靠的并行控制是构建容错量子计算机的关键步骤。
值得注意的是，该项工作仍未解决双量子比特门保真度问题。RIKEN在此处展示的器件在当前配置下，双量子比特CZ门的保真度低于97%。这是一项独立的工程挑战，团队未来的工作需要解决这一问题，以展示容错算法所需的完整门集。
论文作者提出具体预测：在500纳秒的门时间下，单根共享微波线上完全并行运行十个硅自旋量子比特应能保持与本研究中五个量子比特相当的容错保真度。这一预测已成为具体的近期实验目标，而成对校准协议的二次方扩展特性也为更大规模系统集成提供了可控路径。