RIKEN Mengendalikan Lima Qubit Silikon melalui Satu Jalur Microwave Bersama dengan Akurasi Tinggi

Satu jalur kontrol, lima qubit, dan solusi untuk gangguan yang tidak diinginkan

Para peneliti di RIKEN Center for Emergent Matter Science, Jepang, bersama para kolaboratornya, mengoperasikan lima bit kuantum silikon melalui satu jalur microwave bersama dengan tetap menjaga akurasi operasi masing-masing sekitar 99,9% atau lebih. Saat hingga tiga qubit beroperasi bersama, akurasinya melampaui 99,99% untuk setiap qubit. Temuan ini mengatasi masalah yang selama ini menyulitkan pengendalian prosesor kuantum silikon yang lebih besar.

Studi yang diterbitkan di Nature Physics pada 15 Oktober 2026 ini mengidentifikasi sinyal microwave itu sendiri sebagai sumber utama gangguan. Sinyal yang ditujukan untuk satu qubit menggeser kondisi operasi qubit lain. Tim mengukur perubahan yang tidak diinginkan di antara pasangan qubit, lalu menyesuaikan sinyal kontrol untuk mengimbanginya.

Hasil ini menghubungkan dua masalah yang harus diatasi secara bersamaan: menjaga akurasi operasi kuantum dan mengurangi jumlah kabel yang diperlukan untuk mengendalikan prosesor yang terus berkembang. Jalur microwave bersama menyederhanakan arsitektur kontrol, sementara metode kalibrasi membantu mempertahankan akurasi saat beberapa qubit bekerja sekaligus.

Leon Camenzind, ilmuwan peneliti RIKEN sekaligus penulis pertama bersama yang mengawasi eksperimen, menjelaskan kemajuan ini dalam siaran pers berbahasa Inggris RIKEN tertanggal 16 Oktober.

Ini menunjukkan bahwa kontrol dengan fidelitas tinggi dapat dipertahankan bahkan ketika beberapa qubit dioperasikan secara bersamaan, sekaligus menjadi langkah penting menuju peningkatan skala prosesor kuantum berbasis silikon.

Makna angka akurasi

Makalah di Nature Physics berjudul "Simultaneous High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Spin Qubit Array" melaporkan pengukuran operasi dasar yang disebut gerbang. Gerbang mengubah keadaan kuantum qubit. Fidelitas menunjukkan seberapa dekat operasi tersebut dengan hasil yang diinginkan.

Fidelitas gerbang masing-masing dari kelima qubit mencapai jauh di atas 99,99%, dengan beberapa mendekati 99,999%. Tim mempertahankan fidelitas di atas 99,99% saat hingga tiga qubit beroperasi secara bersamaan. Untuk operasi kelima qubit sekaligus, makalah tersebut melaporkan kinerja sebesar 99,9% atau lebih; RIKEN merangkumnya sebagai sekitar 99,9%.

Angka desimal tambahan itu penting. Pengurangan fidelitas dari 100% menghasilkan ukuran rata-rata galat gerbang: 99,9% setara dengan 0,1%, sedangkan 99,99% setara dengan 0,01%. Peralihan antara kedua tingkat tersebut mengurangi ukuran itu sepuluh kali lipat. Koreksi galat kuantum sangat bergantung pada upaya menjaga galat sekecil mungkin dalam banyak operasi.

Tim mengukur gerbang dasar X dan Y, yang memutar keadaan qubit individual pada sumbu berbeda. Gerbang-gerbang ini merupakan komponen dasar sirkuit kuantum. Mengoperasikan beberapa gerbang ini secara bersamaan memungkinkan berbagai bagian prosesor bekerja bersama, alih-alih menunggu giliran.

Cara kerja perangkat silikon

Lima qubit tersebut menempati wilayah kecil yang disebut titik kuantum dalam struktur yang terbuat dari silikon dan silikon-germanium. Elektroda logam membentuk dan mengendalikan wilayah-wilayah terbatas ini. Informasi dikodekan dalam spin elektron, sifat kuantum yang dapat dimanipulasi menggunakan sinyal microwave.

Perangkat ini menggunakan silikon yang diperkaya dengan isotop silikon-28. Pengumuman penelitian berbahasa Jepang RIKEN menjelaskan bahwa silikon-28 tidak memiliki spin nuklir, sehingga membantu menciptakan lingkungan magnetik yang lebih tenang bagi spin elektron pembawa informasi.

Tiga lapisan gerbang aluminium yang saling bertumpang tindih membentuk susunan tersebut. Magnet kobalt kecil menghasilkan medan magnet yang bervariasi di seluruh perangkat, sehingga frekuensi operasi qubit yang berdekatan terpaut sekitar 150 megahertz. Perbedaan frekuensi ini memungkinkan peneliti mengakses qubit satu per satu meskipun semuanya menggunakan elektroda microwave yang sama.

Jalur bersama tersebut membawa pulsa microwave gabungan yang ditujukan untuk qubit berbeda. Elektroda terpisah tetap menjalankan fungsi lain, termasuk membentuk titik kuantum dan menyesuaikan interaksi di antara titik-titik tersebut. Pengurangan kabel ini menyangkut infrastruktur kontrol microwave, salah satu aspek yang sulit ketika jenis prosesor ini diperluas.

Mengapa qubit tidak bisa sekadar bergiliran

Qubit spin silikon kehilangan hubungan presisi di dalam keadaan kuantumnya saat menunggu. Kehilangan ini, yang disebut dephasing, dapat merusak informasi sebelum operasi berikutnya dimulai. Pada perangkat ini, waktu dephasing rata-rata saat diam sekitar 10,3 mikrodetik, atau 10,3 per sejuta detik.

Makalah tersebut melaporkan waktu koherensi selama operasi yang diberi kendali sekitar 100 mikrodetik, kira-kira sepuluh kali waktu dephasing saat diam. Pengukuran Hahn echo, yang menggunakan urutan kontrol untuk mengimbangi beberapa bentuk dephasing, menghasilkan rata-rata sekitar 60 mikrodetik. Setiap pengukuran menggambarkan qubit dalam kondisi operasi yang berbeda.

Waktu yang singkat ini membuat kontrol paralel menjadi kebutuhan praktis. Jika prosesor besar mengoperasikan setiap qubit secara bergiliran, banyak qubit lainnya akan menghabiskan waktu berharga dalam keadaan diam. Koreksi galat kuantum juga membutuhkan operasi terkoordinasi pada kelompok qubit untuk mendeteksi dan menangani galat.

Kontrol paralel selama ini menimbulkan penurunan akurasi. Makalah Nature Physics mengutip eksperimen terdahulu pada silikon dan silikon-germanium, ketika fidelitas turun dari 99,95% menjadi 99,5% saat hanya dua qubit beroperasi bersamaan. Tim RIKEN menyelidiki penyebab fisik penurunan itu dan cara mengimbanginya.

Efek microwave di balik galat

Para peneliti mengidentifikasi pergeseran AC Stark sebagai sumber utama penurunan akurasi selama kontrol paralel. Medan microwave dapat mengubah tingkat energi efektif qubit, bahkan ketika frekuensinya berbeda dari frekuensi yang digunakan untuk mengakses qubit tersebut.

Fase qubit menggambarkan hubungan antara komponen-komponen keadaan kuantumnya. Perubahan jarak energinya mengubah perkembangan fase seiring waktu. Pergeseran fase yang tidak terduga berarti pulsa kontrol berikutnya bekerja pada keadaan yang telah bergeser dari posisi yang diinginkan peneliti.

Tim mengukur gangguan ini secara langsung antara qubit bernomor Q3 dan Q4. Pengoperasian Q4 menghasilkan pergeseran fase sekitar 0,0379 radian pada Q3, sedangkan pengoperasian Q3 menghasilkan pergeseran sekitar minus 0,0026 radian pada Q4. Dampak yang tidak sama ini mencerminkan perbedaan daya microwave yang dibutuhkan untuk mengoperasikan kedua qubit dengan kecepatan sama.

Pergeseran fase meningkat kira-kira sebanding dengan kuadrat amplitudo penggerak. Sederhananya, pelipatan dua amplitudo dapat menghasilkan pergeseran fase sekitar empat kali lebih besar berdasarkan hubungan yang diukur. Karena itu, sinyal kontrol yang lebih kuat meningkatkan kebutuhan akan kompensasi yang cermat.

Pengukuran berpasangan mengurangi beban kalibrasi yang terus meningkat

Yi-Hsien Wu, penulis pertama yang melakukan eksperimen selama riset doktoralnya, menjelaskan cara tim mengurangi jumlah kalibrasi yang diperlukan saat lebih banyak qubit beroperasi bersamaan.

Alih-alih memerlukan prosedur kalibrasi yang sepenuhnya terpisah untuk setiap kemungkinan kombinasi qubit, metode kami menggunakan kalibrasi antar pasangan qubit untuk mengimbangi pergeseran fase yang tidak diinginkan.

Para peneliti mengukur bagaimana pengoperasian satu qubit mengubah fase qubit lain. Mereka lalu menjumlahkan kontribusi masing-masing untuk menghitung koreksi yang dibutuhkan saat beberapa qubit beroperasi bersama. Penyesuaian fase microwave membatalkan pergeseran dominan yang tidak diinginkan. Tim juga mengalibrasi amplitudo pulsa untuk mengoreksi rotasi yang terlalu besar atau terlalu kecil.

Pengujian yang melibatkan Q2, Q3, dan Q4 mendukung pendekatan tersebut. Fase yang terakumulasi pada Q3 saat kedua tetangganya beroperasi bersama sesuai dengan jumlah dampak yang diukur dari masing-masing tetangga secara terpisah. Saat kelima qubit beroperasi, kalibrasi berpasangan menghasilkan kinerja setara dengan kalibrasi penuh yang mengukur setiap qubit ketika empat qubit lainnya diberi penggerak.

Pracetak Juli 2025 tim menggambarkan beban kalibrasi sebagai sesuatu yang meningkat secara kuadratik seiring jumlah qubit, bukan secara eksponensial. Secara kasar, pelipatan dua jumlah qubit akan meningkatkan beban pengukuran berpasangan sekitar empat kali lipat. Pengukuran setiap kemungkinan kombinasi operasi akan berkembang jauh lebih cepat, sehingga kalibrasi kian sulit pada susunan yang lebih besar.

Pulsa yang lebih halus membantu mempertahankan presisi

Kalibrasi tersebut bekerja bersama pulsa microwave yang dibentuk secara cermat. Para peneliti menggunakan pulsa berjendela Kaiser, yang memiliki selubung lebih halus daripada pulsa persegi panjang konvensional. Bentuknya menekan komponen frekuensi yang tidak diinginkan dan dapat mengganggu qubit di sekitarnya.

Pracetak itu melaporkan fidelitas gerbang primitif individual sekitar 99,98% dengan pulsa persegi panjang. Beralih ke pulsa berjendela Kaiser meningkatkan fidelitas kelima qubit hingga di atas 99,99%, dengan beberapa mendekati 99,999%. Perbandingan ini menunjukkan bahwa bentuk sinyal kontrol dapat sama pentingnya dengan frekuensi dan kekuatannya.

Tim menilai kinerja melalui benchmarking acak. Metode ini menerapkan urutan operasi yang dipilih secara acak dan mengukur seberapa cepat probabilitas memperoleh hasil yang diinginkan menurun seiring bertambahnya panjang urutan. Penurunan tersebut memberikan perkiraan fidelitas gerbang rata-rata.

Kecepatan gerbang juga perlu diseimbangkan. Gerbang lambat membuat qubit lebih lama terpapar dephasing, sedangkan gerbang yang sangat cepat membutuhkan penggerak microwave lebih kuat, yang dapat menimbulkan lebih banyak derau. Studi ini menggunakan durasi gerbang minimum 83 nanodetik untuk kontrol individual dan menetapkan gerbang simultan dalam eksperimen tiga qubit selama 250 nanodetik guna mengurangi amplitudo penggerak puncak.

Hal yang masih membatasi pengoperasian kelima qubit

Pengoperasian kelima qubit secara bersamaan membutuhkan daya microwave lebih besar, dan fidelitas turun mendekati 99,9%. Para peneliti mengaitkan penurunan yang tersisa terutama dengan dekohorensi akibat penggerak, yaitu melemahnya koherensi kuantum yang dibutuhkan untuk komputasi.

Koreksi fase menangani pergeseran yang dapat diperkirakan, diukur, dan diimbangi. Dekohorensi memerlukan perubahan yang lebih mampu mempertahankan keadaan kuantum selama operasi. Karena itu, desain perangkat, termasuk mikromagnet, menjadi fokus perbaikan lebih lanjut.

Camenzind menjelaskan keterbatasan yang tersisa dan langkah yang diusulkan tim untuk mengatasinya.

Ini merupakan keterbatasan, tetapi perbaikan lebih lanjut pada desain perangkat dapat membantu mengurangi sumber galat ini.

Makalah tersebut menjelaskan bahwa fidelitas yang dibutuhkan untuk toleransi terhadap galat bergantung pada protokol koreksi galat dan jenis derau yang ada. Nilai di atas 99,9% secara luas menjadi sasaran untuk operasi praktis. Sistem yang berfungsi juga harus menggabungkan gerbang akurat dengan pengukuran andal dan koreksi galat berulang di seluruh susunan yang jauh lebih besar. Tim belum menetapkan jadwal untuk mencapai tahap tersebut.

Dari naskah pertama menuju sasaran riset yang lebih besar

Riset ini berkembang melalui pracetak dan publikasi jurnal sebelum RIKEN mengumumkan hasilnya. Tanggal-tanggal utamanya adalah:

• 16 Juli 2025: Para peneliti mengunggah pracetak pertama, arXiv:2507.11918v1.
• 15 Oktober 2026: Nature Physics menerbitkan studi tersebut dengan DOI 10.1038/s41567-026-03466-2.
• 16 Oktober 2026: RIKEN mencantumkan tanggal tersebut pada siaran pers berbahasa Inggris yang menguraikan temuan.

Kolaborasi ini melibatkan peneliti dari RIKEN, National Taiwan University, ETH Zurich, dan QuTech di Belanda. Japan Science and Technology Agency mendukung riset ini melalui proyek Moonshot Goal 6 JPMJMS256H, yang berfokus pada teknologi untuk komputer kuantum silikon dengan toleransi terhadap galat.

Kompatibilitas silikon dengan proses manufaktur semikonduktor yang sudah mapan membuka jalur menuju integrasi berdensitas tinggi. Eksperimen ini menambahkan strategi kontrol pada keunggulan manufaktur tersebut: beberapa qubit dapat menggunakan satu jalur microwave, dan interaksi fase yang tidak diinginkan di antara qubit dapat dikoreksi menggunakan pengukuran berpasangan.

Seigo Tarucha, manajer proyek komputasi kuantum silikon di bawah Moonshot Goal 6 JST, memaparkan sasaran jangka panjangnya.

Sasaran jangka panjang kami adalah membangun komputer kuantum toleran terhadap galat berbasis qubit spin silikon, dan kontrol paralel yang andal merupakan langkah penting untuk mencapainya.

Poin Utama

• RIKEN dan para kolaboratornya mengendalikan lima qubit spin silikon melalui satu jalur microwave bersama.
• Fidelitas gerbang individual melampaui 99,99%, dengan beberapa mendekati 99,999%.
• Hingga tiga qubit mempertahankan fidelitas di atas 99,99% saat beroperasi bersamaan; kelimanya beroperasi dengan fidelitas sekitar 99,9% atau lebih.
• Kalibrasi berpasangan mengimbangi pergeseran fase yang tidak diinginkan akibat efek AC Stark.
• Daya microwave yang lebih besar menimbulkan dekohorensi saat kelima qubit beroperasi, sehingga perbaikan perangkat menjadi fokus teknis berikutnya.
• Studi ini diterbitkan di Nature Physics pada 15 Oktober 2026.