RIKEN steuert fünf Silizium-Qubits über eine gemeinsame Mikrowellenleitung mit hoher Präzision

Eine Steuerleitung, fünf Qubits und eine Lösung für unerwünschte Interferenzen

Forschende am RIKEN Center for Emergent Matter Science in Japan und ihre Kooperationspartner haben fünf Silizium-Quantenbits über eine einzige gemeinsame Mikrowellenleitung betrieben. Dabei blieb die Genauigkeit der einzelnen Operationen bei etwa 99,9 Prozent oder höher. Wenn bis zu drei Qubits gleichzeitig arbeiteten, lag die Genauigkeit bei jedem über 99,99 Prozent. Damit begegnet das Team einem Problem, das die Steuerung größerer Quantenprozessoren aus Silizium erschwert hat.

Die am 15. Oktober 2026 in Nature Physics veröffentlichte Studie identifiziert die Mikrowellensignale selbst als eine wesentliche Störquelle. Signale, die für ein Qubit bestimmt sind, verschieben die Betriebsbedingungen anderer Qubits. Das Team maß diese unerwünschten Veränderungen zwischen Qubit-Paaren und passte anschließend die Steuersignale an, um sie auszugleichen.

Das Ergebnis verbindet zwei Probleme, die gemeinsam gelöst werden müssen: Quantenoperationen präzise zu halten und den Verkabelungsaufwand für die Steuerung eines wachsenden Prozessors zu verringern. Eine gemeinsame Mikrowellenleitung vereinfacht die Steuerarchitektur, während das Kalibrierverfahren dazu beiträgt, die Genauigkeit zu erhalten, wenn mehrere Qubits gleichzeitig arbeiten.

Leon Camenzind, Forschungswissenschaftler bei RIKEN und Co-Erstautor, der die Experimente betreute, beschrieb den Fortschritt in einer am 16. Oktober datierten englischsprachigen Pressemitteilung von RIKEN.

Das zeigt, dass sich auch dann eine hochpräzise Steuerung aufrechterhalten lässt, wenn mehrere Qubits gleichzeitig betrieben werden, und ist ein wichtiger Schritt hin zu größeren Quantenprozessoren auf Siliziumbasis.

Was die Genauigkeitswerte bedeuten

Die in Nature Physics veröffentlichte Studie mit dem Titel "Simultaneous High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Spin Qubit Array" berichtet über Messungen grundlegender Operationen, sogenannter Gates. Ein Gate verändert den Quantenzustand eines Qubits. Die Fidelity gibt an, wie genau die ausgeführte Operation dem beabsichtigten Ergebnis entspricht.

Alle fünf Qubits erreichten einzeln Gate-Fidelities von deutlich über 99,99 Prozent, einige näherten sich 99,999 Prozent. Bei gleichzeitigem Betrieb von bis zu drei Qubits blieb die Fidelity über 99,99 Prozent. Für den gleichzeitigen Betrieb aller fünf Qubits weist die Studie eine Leistung von 99,9 Prozent oder höher aus; RIKEN fasst dieses Ergebnis mit etwa 99,9 Prozent zusammen.

Die zusätzlichen Nachkommastellen sind relevant. Zieht man die Fidelity von 100 Prozent ab, ergibt sich ein Maß für den durchschnittlichen Gate-Fehler: Bei 99,9 Prozent sind es 0,1 Prozent, bei 99,99 Prozent 0,01 Prozent. Der Wechsel zwischen diesen Werten verringert dieses Maß um den Faktor zehn. Quantenfehlerkorrektur hängt entscheidend davon ab, solche Fehler bei vielen Operationen klein zu halten.

Das Team maß grundlegende X- und Y-Gates, die den Zustand eines einzelnen Qubits um verschiedene Achsen drehen. Sie sind Bausteine von Quantenschaltkreisen. Werden mehrere solcher Gates gleichzeitig ausgeführt, können verschiedene Teile eines Prozessors zusammenarbeiten, statt nacheinander in einer Warteschlange zu stehen.

Wie das Siliziumbauelement funktioniert

Die fünf Qubits befinden sich in winzigen Bereichen, sogenannten Quantenpunkten, in einer Struktur aus Silizium und Siliziumgermanium. Metallelektroden erzeugen und steuern diese abgeschlossenen Bereiche. Die Information ist im Elektronenspin codiert, einer Quanteneigenschaft, die sich mithilfe von Mikrowellensignalen manipulieren lässt.

Das Bauelement besteht aus mit dem Isotop Silizium-28 angereichertem Silizium. In der japanischsprachigen Forschungsmitteilung von RIKEN wird erläutert, dass Silizium-28 keinen Kernspin hat. Das trägt dazu bei, eine ruhigere magnetische Umgebung für die Elektronenspins zu schaffen, in denen die Information gespeichert ist.

Drei übereinanderliegende Aluminiumschichten bilden das Array. Ein kleiner Kobaltmagnet erzeugt ein Magnetfeld, das sich über das Bauelement hinweg verändert. Dadurch liegen die Betriebsfrequenzen benachbarter Qubits etwa 150 Megahertz auseinander. Dank dieser Frequenzunterschiede können die Forschenden einzelne Qubits ansteuern, obwohl sie dieselbe Mikrowellenelektrode nutzen.

Über die gemeinsame Leitung laufen kombinierte Mikrowellenimpulse, die für verschiedene Qubits bestimmt sind. Andere Aufgaben übernehmen weiterhin separate Elektroden, darunter die Formgebung der Quantenpunkte und die Anpassung der Wechselwirkungen zwischen ihnen. Die Verringerung der Verkabelung betrifft die Infrastruktur zur Mikrowellensteuerung, einen der schwierigen Aspekte beim Ausbau dieser Art von Prozessor.

Warum Qubits nicht einfach abwechselnd arbeiten können

Bei Silizium-Spin-Qubits gehen die präzisen Beziehungen innerhalb ihrer Quantenzustände verloren, während sie warten. Dieser Verlust, Dephasierung genannt, kann die Information beeinträchtigen, bevor die nächste Operation beginnt. In diesem Bauelement betrug die durchschnittliche Dephasierungszeit im Ruhezustand etwa 10,3 Mikrosekunden, also 10,3 Millionstel Sekunden.

Während eines angesteuerten Betriebs lagen die Kohärenzzeiten laut Studie bei etwa 100 Mikrosekunden, also ungefähr beim Zehnfachen der Dephasierungszeit im Ruhezustand. Eine Hahn-Echo-Messung, bei der eine Steuersequenz bestimmte Formen der Dephasierung ausgleicht, ergab einen Durchschnitt von etwa 60 Mikrosekunden. Jede Messung beschreibt die Qubits unter anderen Betriebsbedingungen.

Wegen dieser kurzen Zeiten ist die parallele Steuerung praktisch unverzichtbar. Würde ein großer Prozessor jedes Qubit der Reihe nach betreiben, müssten viele andere wertvolle Zeit untätig warten. Auch die Quantenfehlerkorrektur erfordert abgestimmte Operationen in Gruppen von Qubits, um Fehler zu erkennen und zu beheben.

Die parallele Steuerung ging bislang mit Einbußen bei der Genauigkeit einher. Die Studie in Nature Physics verweist auf frühere Experimente mit Silizium und Siliziumgermanium, bei denen die Fidelity bereits beim gleichzeitigen Betrieb von nur zwei Qubits von 99,95 auf 99,5 Prozent sank. Das RIKEN-Team untersuchte die physikalische Ursache dieses Rückgangs und entwickelte eine Möglichkeit, ihn auszugleichen.

Der Mikrowelleneffekt hinter den Fehlern

Die Forschenden identifizierten den AC-Stark-Effekt als Hauptursache für den Genauigkeitsverlust bei der parallelen Steuerung. Ein Mikrowellenfeld kann die effektiven Energieniveaus eines Qubits verändern, selbst wenn es eine andere Frequenz hat als das Signal, mit dem dieses Qubit angesteuert wird.

Die Phase eines Qubits beschreibt die Beziehung zwischen den Komponenten seines Quantenzustands. Eine Veränderung des Energieabstands verändert, wie sich diese Phase mit der Zeit entwickelt. Eine unerwartete Phasenverschiebung bedeutet, dass der nächste Steuerimpuls auf einen Zustand einwirkt, der sich bereits von der vorgesehenen Position entfernt hat.

Das Team maß diese Interferenz direkt zwischen den mit Q3 und Q4 bezeichneten Qubits. Die Ansteuerung von Q4 verursachte bei Q3 eine Phasenverschiebung von etwa 0,0379 Radiant, während die Ansteuerung von Q3 bei Q4 eine Verschiebung von rund minus 0,0026 Radiant bewirkte. Die unterschiedlichen Effekte waren auf die abweichende Mikrowellenleistung zurückzuführen, die nötig war, um beide Qubits mit derselben Geschwindigkeit zu betreiben.

Die Phasenverschiebungen nahmen ungefähr mit dem Quadrat der Ansteuerungsamplitude zu. Vereinfacht gesagt konnte eine Verdopplung der Amplitude unter den gemessenen Bedingungen eine etwa viermal so große Phasenverschiebung bewirken. Stärkere Steuersignale machten daher einen sorgfältigen Ausgleich umso wichtiger.

Paarmessungen verringern den wachsenden Kalibrieraufwand

Yi-Hsien Wu, Erstautor und Doktorand, der die Experimente im Rahmen seiner Promotion durchführte, erläuterte, wie das Team den Kalibrieraufwand bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Qubits verringerte.

Statt für jede mögliche Kombination von Qubits ein vollständig eigenes Kalibrierverfahren zu benötigen, nutzt unsere Methode Kalibrierungen zwischen Qubit-Paaren, um die unerwünschten Phasenverschiebungen auszugleichen.

Die Forschenden maßen, wie sich der Betrieb eines Qubits auf die Phase eines anderen auswirkte. Anschließend addierten sie diese einzelnen Beiträge, um die nötige Korrektur für den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Qubits zu berechnen. Durch die Anpassung der Mikrowellenphasen ließen sich die vorherrschenden unerwünschten Verschiebungen aufheben. Außerdem kalibrierte das Team die Impulsamplituden, um zu große oder zu kleine Drehungen zu korrigieren.

Ein Test mit Q2, Q3 und Q4 bestätigte diesen Ansatz. Die Phase, die sich auf Q3 aufbaute, während seine beiden Nachbarn gleichzeitig arbeiteten, stimmte mit der Summe der jeweils einzeln gemessenen Effekte der beiden Nachbarn überein. Beim Betrieb aller fünf Qubits funktionierte die Kalibrierung anhand von Paaren ebenso gut wie eine vollständige Kalibrierung, bei der jedes Qubit gemessen wurde, während die übrigen vier angesteuert wurden.

Der im Juli 2025 veröffentlichte Preprint des Teams beschreibt, dass der Kalibrieraufwand quadratisch und nicht exponentiell mit der Anzahl der Qubits wächst. Grob gesagt würde sich der Aufwand für Paarmessungen bei einer Verdopplung der Qubit-Zahl etwa vervierfachen. Die Messung sämtlicher möglicher Betriebskombinationen würde dagegen viel schneller immer aufwendiger und die Kalibrierung größerer Arrays zunehmend erschweren.

Glattere Impulse halfen, die Präzision zu bewahren

Die Kalibrierung wurde durch sorgfältig geformte Mikrowellenimpulse ergänzt. Die Forschenden verwendeten Kaiser-Fenster-Impulse, deren Hüllkurve glatter ist als die herkömmlicher rechteckiger Impulse. Ihre Form unterdrückt unerwünschte Frequenzanteile, die benachbarte Qubits stören können.

Der Preprint weist für einzelne elementare Gates mit rechteckigen Impulsen Fidelities von etwa 99,98 Prozent aus. Mit Kaiser-Fenster-Impulsen lagen alle fünf Qubits über 99,99 Prozent, einige näherten sich 99,999 Prozent. Der Vergleich zeigt, dass neben Frequenz und Stärke auch die Form eines Steuersignals eine Rolle spielt.

Das Team bewertete die Leistung mit Randomized Benchmarking. Bei dieser Methode werden zufällig ausgewählte Operationssequenzen ausgeführt und gemessen, wie schnell die Wahrscheinlichkeit für das beabsichtigte Ergebnis mit zunehmender Sequenzlänge abnimmt. Dieser Rückgang ermöglicht eine Schätzung der durchschnittlichen Gate-Fidelity.

Auch bei der Geschwindigkeit der Gates war ein Kompromiss nötig. Langsame Gates setzen Qubits länger der Dephasierung aus, während sehr schnelle Gates eine stärkere Mikrowellenansteuerung erfordern, die mehr Rauschen verursachen kann. Für die Einzelsteuerung nutzte die Studie eine minimale Gate-Dauer von 83 Nanosekunden. Bei dem Experiment mit drei Qubits wurden gleichzeitig ausgeführte Gates auf 250 Nanosekunden festgelegt, um die maximale Ansteuerungsamplitude zu verringern.

Was den Betrieb aller fünf Qubits noch begrenzt

Für den gleichzeitigen Betrieb aller fünf Qubits war mehr Mikrowellenleistung nötig, und die Fidelity sank auf etwa 99,9 Prozent. Die Forschenden führten den verbleibenden Verlust hauptsächlich auf ansteuerungsinduzierte Dekohärenz zurück, also eine Abschwächung der für Berechnungen nötigen Quantenkohärenz.

Die Phasenkorrektur gleicht eine vorhersehbare Verschiebung aus, die sich messen und kompensieren lässt. Bei der Dekohärenz sind Änderungen nötig, die den Quantenzustand während des Betriebs besser erhalten. Daher steht auch das Design des Bauelements, einschließlich des Mikromagneten, im Mittelpunkt weiterer Verbesserungen.

Camenzind beschrieb diese verbleibende Einschränkung und den Vorschlag des Teams, ihr zu begegnen.

Das ist eine Einschränkung, doch weitere Verbesserungen am Bauelement könnten helfen, diese Fehlerquelle zu verringern.

Die Studie erläutert, dass die für Fehlertoleranz nötige Fidelity vom Fehlerkorrekturprotokoll und den vorhandenen Rauscharten abhängt. Werte über 99,9 Prozent gelten weithin als Ziel für den praktischen Betrieb. Ein funktionsfähiges System muss genaue Gates außerdem mit zuverlässigen Messungen und wiederholter Fehlerkorrektur in einem deutlich größeren Array verbinden. Das Team hat keinen Zeitplan genannt, wann dieses Stadium erreicht werden könnte.

Vom ersten Manuskript zu einem größeren Forschungsziel

Die Arbeit wurde zunächst als Preprint veröffentlicht und erschien anschließend in einer Fachzeitschrift, bevor RIKEN das Ergebnis bekannt gab. Die wichtigsten Daten:

• 16. Juli 2025: Die Forschenden veröffentlichten den ersten Preprint, arXiv:2507.11918v1.
• 15. Oktober 2026: Nature Physics veröffentlichte die Studie mit der DOI 10.1038/s41567-026-03466-2.
• 16. Oktober 2026: RIKEN datierte seine englischsprachige Pressemitteilung zu den Ergebnissen.

An der Zusammenarbeit waren Forschende von RIKEN, der National Taiwan University, der ETH Zürich und QuTech in den Niederlanden beteiligt. Die japanische Agentur für Wissenschaft und Technologie förderte die Arbeit im Rahmen des Projekts JPMJMS256H zu Moonshot-Ziel 6, das sich auf Technologien für einen fehlertoleranten Quantencomputer aus Silizium konzentriert.

Die Kompatibilität von Silizium mit etablierten Halbleiterfertigungsverfahren eröffnet diesem Ansatz einen Weg zu einer dichten Integration. Das Experiment ergänzt diesen Fertigungsvorteil um eine Steuerungsstrategie: Mehrere Qubits können eine Mikrowellenleitung gemeinsam nutzen, und ihre unerwünschten Phasenwechselwirkungen lassen sich mithilfe von Messungen zwischen Paaren korrigieren.

Seigo Tarucha, Projektleiter des Silizium-Quantencomputing-Projekts im Rahmen von Moonshot-Ziel 6 der JST, erläuterte das langfristige Ziel.

Unser langfristiges Ziel ist der Bau eines fehlertoleranten Quantencomputers auf Basis von Silizium-Spin-Qubits. Eine zuverlässige parallele Steuerung ist ein wesentlicher Schritt auf diesem Weg.

Wichtige Punkte

• RIKEN und seine Kooperationspartner steuerten fünf Silizium-Spin-Qubits über eine gemeinsame Mikrowellenleitung.
• Die Gate-Fidelities der einzelnen Qubits lagen über 99,99 Prozent, einige näherten sich 99,999 Prozent.
• Bei gleichzeitigem Betrieb von bis zu drei Qubits blieb die Fidelity über 99,99 Prozent; alle fünf Qubits erreichten gemeinsam etwa 99,9 Prozent oder mehr.
• Eine Kalibrierung anhand von Qubit-Paaren glich unerwünschte, durch den AC-Stark-Effekt verursachte Phasenverschiebungen aus.
• Die höhere Mikrowellenleistung führte beim Betrieb aller fünf Qubits zu Dekohärenz. Verbesserungen am Bauelement sind daher der nächste technische Schwerpunkt.
• Die Studie wurde am 15. Oktober 2026 in Nature Physics veröffentlicht.