RIKEN controla cinco qubits de silício por uma única linha de micro-ondas compartilhada com alta precisão

Uma linha de controle, cinco qubits e uma solução para a interferência indesejada

Pesquisadores do RIKEN Center for Emergent Matter Science, no Japão, e seus colaboradores operaram cinco bits quânticos de silício por meio de uma única linha compartilhada de micro-ondas, mantendo a precisão das operações individuais em cerca de 99,9% ou mais. Quando até três qubits operaram simultaneamente, a precisão de cada um superou 99,99%, enfrentando um problema que dificulta o controle de processadores quânticos de silício maiores.

O estudo, publicado na Nature Physics em 15 de outubro de 2026, identifica os próprios sinais de micro-ondas como uma importante fonte de interferência. Sinais destinados a um qubit alteram as condições de operação dos outros. A equipe mediu essas mudanças indesejadas entre pares de qubits e, em seguida, ajustou os sinais de controle para compensá-las.

O resultado conecta dois problemas que precisam ser resolvidos em conjunto: manter a precisão das operações quânticas e reduzir a quantidade de fiação necessária para controlar um processador em expansão. Uma linha compartilhada de micro-ondas simplifica a arquitetura de controle, enquanto o método de calibração ajuda a preservar a precisão quando vários qubits operam ao mesmo tempo.

Leon Camenzind, pesquisador do RIKEN e coautor principal que supervisionou os experimentos, descreveu o avanço no comunicado de imprensa em inglês do RIKEN, datado de 16 de outubro.

Isso mostra que é possível manter o controle de alta fidelidade mesmo quando vários qubits são operados ao mesmo tempo e representa uma etapa importante rumo à ampliação de processadores quânticos baseados em silício.

O que significam os números de precisão

O artigo da Nature Physics, intitulado "Portas de qubit único de alta fidelidade simultâneas em um conjunto de qubits de spin", apresenta medições de operações básicas chamadas portas. Uma porta altera o estado quântico de um qubit. A fidelidade descreve o quanto essa operação corresponde ao resultado pretendido.

Individualmente, os cinco qubits alcançaram fidelidades de porta bem acima de 99,99%, com algumas chegando perto de 99,999%. A equipe manteve a fidelidade acima de 99,99% durante a operação simultânea de até três qubits. Para os cinco operando juntos, o artigo relata um desempenho de 99,9% ou mais; o RIKEN resume esse resultado como aproximadamente 99,9%.

As casas decimais adicionais são importantes. Subtrair a fidelidade de 100% fornece uma medida do erro médio de porta: 99,9% corresponde a 0,1%, enquanto 99,99% corresponde a 0,01%. Passar de um nível para o outro reduz essa medida em um fator de dez. A correção de erros quânticos depende muito de manter esses erros baixos ao longo de muitas operações.

A equipe mediu as portas X e Y básicas, que giram o estado de um qubit individual em torno de eixos diferentes. Elas são componentes fundamentais dos circuitos quânticos. Operar várias dessas portas simultaneamente permite que diferentes partes de um processador trabalhem em conjunto, em vez de esperar em uma fila.

Como funciona o dispositivo de silício

Os cinco qubits ocupam regiões minúsculas chamadas pontos quânticos em uma estrutura feita de silício e germânio de silício. Eletrodos metálicos criam e controlam essas regiões confinadas. A informação é codificada no spin do elétron, uma propriedade quântica que pode ser manipulada com sinais de micro-ondas.

O dispositivo usa silício enriquecido com o isótopo silício-28. O anúncio da pesquisa em japonês do RIKEN explica que o silício-28 não tem spin nuclear, o que ajuda a proporcionar um ambiente magnético mais estável para os spins dos elétrons que armazenam informação.

Três camadas sobrepostas de portas de alumínio definem o conjunto. Um pequeno ímã de cobalto cria um campo magnético que varia ao longo do dispositivo, fazendo com que as frequências de operação de qubits vizinhos tenham uma diferença de cerca de 150 megahertz. Essas diferenças de frequência permitem que os pesquisadores controlem qubits individuais, mesmo compartilhando o eletrodo de micro-ondas.

A linha compartilhada conduz pulsos combinados de micro-ondas destinados a diferentes qubits. Eletrodos separados continuam desempenhando outras funções, como dar forma aos pontos quânticos e ajustar as interações entre eles. A redução da fiação diz respeito à infraestrutura de controle por micro-ondas, uma das partes difíceis de ampliar nesse tipo de processador.

Por que os qubits não podem simplesmente operar em turnos

Os qubits de spin de silício perdem as relações precisas entre os componentes de seus estados quânticos enquanto aguardam. Essa perda, chamada defasagem, pode comprometer a informação antes do início da operação seguinte. Neste dispositivo, o tempo médio de defasagem em repouso foi de cerca de 10,3 microssegundos, ou 10,3 milionésimos de segundo.

O artigo relata tempos de coerência de aproximadamente 100 microssegundos durante a operação com pulsos, cerca de dez vezes o tempo de defasagem em repouso. Uma medição de eco de Hahn, que usa uma sequência de controle para neutralizar algumas formas de defasagem, apresentou uma média de cerca de 60 microssegundos. Cada medição descreve os qubits em uma condição de operação diferente.

Esses tempos curtos tornam o controle paralelo uma necessidade prática. Se um processador grande operasse cada qubit por vez, muitos outros passariam um tempo valioso ociosos. A correção de erros quânticos também exige operações coordenadas entre grupos de qubits para detectar e gerenciar erros.

O controle paralelo, porém, vinha acompanhado de uma perda de precisão. O artigo da Nature Physics cita experimentos anteriores com silício e germânio de silício nos quais a fidelidade caiu de 99,95% para 99,5% quando apenas dois qubits operaram simultaneamente. A equipe do RIKEN investigou a causa física dessa queda e uma forma de compensá-la.

O efeito das micro-ondas por trás dos erros

Os pesquisadores identificaram o deslocamento Stark AC como a principal fonte da perda de precisão durante o controle paralelo. Um campo de micro-ondas pode alterar os níveis de energia efetivos de um qubit mesmo quando sua frequência é diferente da frequência usada para controlar esse qubit.

A fase de um qubit descreve uma relação entre os componentes de seu estado quântico. Alterar a separação entre seus níveis de energia muda a evolução dessa fase ao longo do tempo. Um deslocamento de fase inesperado significa que o próximo pulso de controle atua sobre um estado que já se afastou da posição pretendida pelos pesquisadores.

A equipe mediu diretamente essa interferência entre os qubits identificados como Q3 e Q4. Controlar Q4 provocou um deslocamento de fase de cerca de 0,0379 radiano em Q3, enquanto controlar Q3 provocou um deslocamento de aproximadamente menos 0,0026 radiano em Q4. Os efeitos desiguais refletiram as diferentes potências de micro-ondas necessárias para operar os dois qubits na mesma velocidade.

Os deslocamentos de fase aumentaram aproximadamente com o quadrado da amplitude do sinal de controle. Em termos simples, dobrar a amplitude poderia produzir cerca de quatro vezes mais deslocamento de fase, segundo a relação medida. Portanto, sinais de controle mais fortes aumentaram a necessidade de uma compensação cuidadosa.

Medições em pares reduzem o esforço de calibração

Yi-Hsien Wu, primeiro autor que realizou os experimentos durante sua pesquisa de doutorado, explicou como a equipe reduziu o volume de calibração necessário à medida que mais qubits operavam juntos.

Em vez de exigir um procedimento de calibração completamente separado para cada combinação possível de qubits, nosso método usa calibrações entre pares de qubits para compensar os deslocamentos de fase indesejados.

Os pesquisadores mediram como a operação de um qubit alterava a fase de outro. Depois, somaram essas contribuições individuais para calcular a correção necessária quando vários qubits operavam juntos. O ajuste das fases das micro-ondas cancelou os principais deslocamentos indesejados. A equipe também calibrou as amplitudes dos pulsos para corrigir rotações excessivas ou insuficientes.

Um teste envolvendo Q2, Q3 e Q4 corroborou essa abordagem. A fase acumulada em Q3 quando seus dois vizinhos operavam juntos correspondeu à soma dos efeitos medidos separadamente para cada vizinho. Durante a operação dos cinco qubits, a calibração em pares teve o mesmo desempenho que uma calibração completa, na qual cada qubit era medido enquanto os outros quatro recebiam sinais de controle.

O pré-publicação de julho de 2025 da equipe descreve o volume de trabalho da calibração como crescendo quadraticamente com o número de qubits, e não exponencialmente. De modo aproximado, dobrar o número de qubits multiplicaria por cerca de quatro o trabalho com pares. Medir todas as combinações possíveis de operação faria esse volume crescer muito mais rápido, tornando a calibração cada vez mais difícil em conjuntos maiores.

Pulsos mais suaves ajudaram a preservar a precisão

A calibração foi combinada com pulsos de micro-ondas cuidadosamente moldados. Os pesquisadores usaram pulsos com janela de Kaiser, cuja forma é mais suave do que a dos pulsos retangulares convencionais. Esse formato suprime componentes de frequência indesejados que podem perturbar qubits vizinhos.

O pré-publicação relata fidelidades de porta primitiva individuais de cerca de 99,98% com pulsos retangulares. A troca por pulsos com janela de Kaiser elevou a fidelidade dos cinco qubits para mais de 99,99%, com alguns chegando perto de 99,999%. Essa comparação mostra que o formato do sinal de controle pode ser tão importante quanto sua frequência e intensidade.

A equipe avaliou o desempenho por meio de benchmarking aleatorizado. Esse método aplica sequências de operações escolhidas aleatoriamente e mede a rapidez com que a probabilidade de obter o resultado pretendido diminui à medida que as sequências ficam mais longas. Essa queda fornece uma estimativa da fidelidade média das portas.

A velocidade das portas também exigiu equilíbrio. Portas lentas deixam os qubits expostos à defasagem por mais tempo, enquanto portas muito rápidas exigem sinais de micro-ondas mais fortes, capazes de introduzir mais ruído. O estudo usou uma duração mínima de 83 nanossegundos para o controle individual e definiu portas simultâneas de 250 nanossegundos no experimento com três qubits para reduzir a amplitude máxima dos sinais de controle.

O que ainda limita a operação dos cinco qubits

Controlar os cinco qubits simultaneamente exigiu mais potência de micro-ondas, e a fidelidade caiu para perto de 99,9%. Os pesquisadores atribuíram a perda restante principalmente à decoerência induzida pelo sinal de controle, que enfraquece a coerência quântica necessária à computação.

A correção de fase resolve um deslocamento previsível, que pode ser medido e compensado. Já a decoerência exige mudanças que preservem melhor o estado quântico durante a operação. Por isso, o projeto do dispositivo, incluindo o micromagneto, é um foco de futuras melhorias.

Camenzind descreveu essa limitação restante e a resposta proposta pela equipe.

Essa é uma limitação, mas melhorias adicionais no projeto do dispositivo podem ajudar a mitigar essa fonte de erro.

O artigo explica que a fidelidade necessária para a tolerância a falhas depende do protocolo de correção de erros e dos tipos de ruído presentes. Valores acima de 99,9% são amplamente considerados uma meta para a operação prática. Um sistema funcional também precisa combinar portas precisas com medições confiáveis e correção de erros repetida em um conjunto muito maior. A equipe não informou um cronograma para chegar a essa etapa.

Do primeiro manuscrito a um objetivo de pesquisa mais amplo

O trabalho avançou da pré-publicação à publicação em periódico antes de o RIKEN anunciar o resultado. As principais datas são:

• 16 de julho de 2025: Os pesquisadores publicaram a primeira pré-publicação, arXiv:2507.11918v1.
• 15 de outubro de 2026: A Nature Physics publicou o estudo, com o DOI 10.1038/s41567-026-03466-2.
• 16 de outubro de 2026: O RIKEN datou seu comunicado de imprensa em inglês sobre os resultados.

A colaboração reúne pesquisadores do RIKEN, da National Taiwan University, da ETH Zurich e da QuTech, nos Países Baixos. A Agência de Ciência e Tecnologia do Japão apoiou o trabalho por meio do projeto JPMJMS256H, da Meta Moonshot 6, voltado a tecnologias para um computador quântico de silício tolerante a falhas.

A compatibilidade do silício com os processos consolidados de fabricação de semicondutores abre um caminho para uma integração densa. O experimento acrescenta a essa vantagem de fabricação uma estratégia de controle: vários qubits podem compartilhar uma linha de micro-ondas, e suas interações indesejadas de fase podem ser corrigidas por meio de medições entre pares.

Seigo Tarucha, gerente do projeto de computação quântica de silício da Meta Moonshot 6 da JST, apresentou o objetivo de longo prazo.

Nosso objetivo de longo prazo é construir um computador quântico tolerante a falhas baseado em qubits de spin de silício, e o controle paralelo confiável é uma etapa essencial rumo a esse objetivo.

Principais pontos

• O RIKEN e seus colaboradores controlaram cinco qubits de spin de silício por meio de uma única linha compartilhada de micro-ondas.
• As fidelidades individuais das portas superaram 99,99%, com algumas chegando perto de 99,999%.
• Até três qubits mantiveram fidelidade acima de 99,99% durante a operação simultânea; os cinco operaram com cerca de 99,9% ou mais.
• A calibração em pares compensou os deslocamentos de fase indesejados causados pelo efeito Stark AC.
• A maior potência de micro-ondas provocou decoerência durante a operação dos cinco qubits, tornando as melhorias no dispositivo o próximo foco técnico.
• O estudo foi publicado na Nature Physics em 15 de outubro de 2026.