RIKEN controla cinco qubits de silício através de uma única linha de micro-ondas partilhada com elevada precisão

Uma linha de controlo, cinco qubits e uma solução para interferências indesejadas

Investigadores do RIKEN Center for Emergent Matter Science, no Japão, e os seus colaboradores operaram cinco bits quânticos de silício através de uma única linha de micro-ondas partilhada, mantendo a precisão das operações individuais em cerca de 99,9% ou mais. Quando até três qubits operaram em simultâneo, a precisão de cada um ultrapassou os 99,99%, resolvendo um problema que tem dificultado o controlo de processadores quânticos de silício de maiores dimensões.

O estudo, publicado na Nature Physics a 15 de outubro de 2026, identifica os próprios sinais de micro-ondas como uma importante fonte de interferência. Os sinais destinados a um qubit alteram as condições de funcionamento dos outros. A equipa mediu essas alterações indesejadas entre pares de qubits e, em seguida, ajustou os sinais de controlo para as compensar.

O resultado liga dois problemas que têm de ser resolvidos em conjunto: manter a precisão das operações quânticas e reduzir a quantidade de cablagem necessária para controlar um processador em expansão. Uma linha de micro-ondas partilhada simplifica a arquitetura de controlo, enquanto o método de calibração ajuda a preservar a precisão quando vários qubits funcionam ao mesmo tempo.

Leon Camenzind, investigador do RIKEN e coautor principal que supervisionou as experiências, descreveu o avanço no comunicado de imprensa em inglês do RIKEN, datado de 16 de outubro.

Isto demonstra que é possível manter um controlo de elevada fidelidade mesmo quando vários qubits são operados em simultâneo e representa um passo importante para ampliar os processadores quânticos baseados em silício.

O que significam os valores de precisão

O artigo da Nature Physics, intitulado "Portas de qubit único de elevada fidelidade em simultâneo numa matriz de qubits de spin", apresenta medições de operações básicas chamadas portas. Uma porta altera o estado quântico de um qubit. A fidelidade indica até que ponto essa operação corresponde ao resultado pretendido.

Individualmente, os cinco qubits alcançaram fidelidades de porta muito superiores a 99,99%, com alguns a aproximarem-se de 99,999%. A equipa manteve uma fidelidade superior a 99,99% durante a operação simultânea de até três qubits. Para os cinco a funcionar em conjunto, o artigo indica 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 a 100% dá uma medida do erro médio por porta: 99,9% corresponde a 0,1%, enquanto 99,99% corresponde a 0,01%. Passar de um destes valores para o outro reduz essa medida por um fator de dez. A correção de erros quânticos depende muito de manter estes erros reduzidos ao longo de muitas operações.

A equipa mediu portas X e Y básicas, que rodam o estado de um qubit individual em torno de diferentes eixos. Estas são peças fundamentais dos circuitos quânticos. A operação simultânea de várias destas portas permite que diferentes partes de um processador trabalhem em conjunto, em vez de esperarem numa fila.

Como funciona o dispositivo de silício

Os cinco qubits ocupam pequenas regiões chamadas pontos quânticos, numa estrutura de silício e germânio-silício. Elétrodos metálicos criam e controlam estas regiões confinadas. A informação é codificada no spin do eletrão, uma propriedade quântica que pode ser manipulada através de sinais de micro-ondas.

O dispositivo utiliza silício enriquecido com o isótopo silício-28. O anúncio da investigação 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 eletrões que transportam informação.

Três camadas sobrepostas de portas de alumínio definem a matriz. Um pequeno íman de cobalto cria um campo magnético que varia ao longo do dispositivo, fazendo com que as frequências de funcionamento de qubits vizinhos difiram cerca de 150 megahertz. Estas diferenças de frequência permitem aos investigadores controlar qubits individuais, apesar de partilharem o elétrodo de micro-ondas.

A linha partilhada transporta impulsos de micro-ondas combinados, destinados a diferentes qubits. Elétrodos separados continuam a desempenhar outras funções, incluindo moldar os pontos quânticos e ajustar as interações entre eles. A redução da cablagem diz respeito à infraestrutura de controlo por micro-ondas, uma das partes difíceis de ampliar neste tipo de processador.

Porque não podem simplesmente funcionar à vez

Os qubits de spin de silício perdem as relações precisas entre os elementos dos seus estados quânticos enquanto esperam. Esta perda, chamada desfasamento, pode corromper a informação antes de começar a operação seguinte. Neste dispositivo, o tempo médio de desfasamento em repouso foi de cerca de 10,3 microssegundos, ou seja, 10,3 milionésimos de segundo.

O artigo indica tempos de coerência durante a operação com impulsos de cerca de 100 microssegundos, aproximadamente dez vezes o tempo de desfasamento em repouso. Uma medição de eco de Hahn, que utiliza uma sequência de controlo para contrariar algumas formas de desfasamento, deu uma média de cerca de 60 microssegundos. Cada medição descreve os qubits em condições de funcionamento diferentes.

Estes tempos curtos tornam o controlo em paralelo uma necessidade prática. Se um processador de grandes dimensões operasse cada qubit à vez, muitos outros passariam um tempo valioso inativos. A correção de erros quânticos também exige operações coordenadas em grupos de qubits para detetar e gerir erros.

O controlo em paralelo tem implicado uma penalização na precisão. O artigo da Nature Physics refere experiências anteriores com silício e germânio-silício nas quais a fidelidade caiu de 99,95% para 99,5% quando apenas dois qubits funcionaram em simultâneo. A equipa do RIKEN investigou a causa física dessa deterioração e uma forma de a compensar.

O efeito das micro-ondas na origem dos erros

Os investigadores identificaram o desvio Stark AC como a principal causa da perda de precisão durante o controlo em paralelo. Um campo de micro-ondas pode alterar os níveis de energia efetivos de um qubit, mesmo quando a sua frequência é diferente da frequência usada para controlar esse qubit.

A fase de um qubit descreve uma relação entre os componentes do seu estado quântico. Alterar a separação entre níveis de energia muda a forma como essa fase evolui ao longo do tempo. Um desvio de fase inesperado significa que o impulso de controlo seguinte atua sobre um estado que já se afastou da posição pretendida pelos investigadores.

A equipa mediu diretamente esta interferência entre os qubits identificados como Q3 e Q4. O controlo de Q4 provocou um desvio de fase de cerca de 0,0379 radianos em Q3, enquanto o controlo de Q3 provocou um desvio de cerca de menos 0,0026 radianos em Q4. Os efeitos desiguais refletiam as diferentes potências de micro-ondas necessárias para operar os dois qubits à mesma velocidade.

Os desvios de fase aumentaram aproximadamente em proporção ao quadrado da amplitude do sinal de controlo. Em termos simples, duplicar a amplitude poderia provocar um desvio de fase cerca de quatro vezes maior, de acordo com a relação medida. Assim, sinais de controlo mais fortes aumentavam a necessidade de uma compensação cuidadosa.

Medições aos pares reduzem a carga de calibração

Yi-Hsien Wu, primeiro autor, que realizou as experiências durante a sua investigação de doutoramento, explicou como a equipa reduziu a quantidade de calibração necessária à medida que mais qubits funcionavam em simultâneo.

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

Os investigadores mediram de que forma o funcionamento de um qubit alterava a fase de outro. Depois, somaram essas contribuições individuais para calcular a correção necessária quando vários qubits funcionavam em simultâneo. O ajuste das fases das micro-ondas anulou os principais desvios indesejados. A equipa também calibrou as amplitudes dos impulsos para corrigir rotações demasiado grandes ou demasiado pequenas.

Um teste com Q2, Q3 e Q4 corroborou esta abordagem. A fase acumulada em Q3 enquanto os seus dois vizinhos funcionavam em simultâneo correspondeu à soma dos efeitos medidos separadamente para cada vizinho. Durante a operação dos cinco qubits, a calibração aos pares teve um desempenho tão bom como uma calibração completa, que media cada qubit enquanto os outros quatro recebiam impulsos.

O preprint de julho de 2025 da equipa descreve a carga de calibração como aumentando quadraticamente com o número de qubits, e não exponencialmente. Em termos aproximados, duplicar o número de qubits multiplicaria por cerca de quatro a carga de trabalho das medições aos pares. Medir todas as combinações possíveis de funcionamento aumentaria muito mais depressa, tornando a calibração cada vez mais difícil em matrizes de maiores dimensões.

Impulsos mais suaves ajudaram a preservar a precisão

A calibração foi complementada por impulsos de micro-ondas cuidadosamente moldados. Os investigadores utilizaram impulsos com janela de Kaiser, cuja envolvente é mais suave do que a dos impulsos retangulares convencionais. A sua forma suprime componentes de frequência indesejados que podem perturbar os qubits vizinhos.

O preprint indica fidelidades de porta primitiva individuais de cerca de 99,98% com impulsos retangulares. A utilização de impulsos com janela de Kaiser elevou a fidelidade dos cinco qubits para mais de 99,99%, com alguns a aproximarem-se de 99,999%. Esta comparação mostra que a forma de um sinal de controlo pode ser tão importante como a sua frequência e intensidade.

A equipa avaliou o desempenho através de benchmarking aleatorizado. Este 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 se tornam mais longas. Essa diminuição permite estimar a fidelidade média das portas.

A velocidade das portas também exigiu um equilíbrio. Portas lentas deixam os qubits expostos ao desfasamento durante mais tempo, enquanto portas muito rápidas exigem impulsos de micro-ondas mais fortes, que podem introduzir mais ruído. O estudo utilizou uma duração mínima de 83 nanossegundos para o controlo individual e definiu a duração das portas simultâneas no ensaio com três qubits em 250 nanossegundos, para reduzir a amplitude máxima dos impulsos.

O que ainda limita o funcionamento dos cinco qubits

O funcionamento simultâneo dos cinco qubits exigiu mais potência de micro-ondas, e a fidelidade desceu para perto dos 99,9%. Os investigadores atribuíram a perda restante sobretudo à decoerência induzida pelos impulsos, que enfraquece a coerência quântica necessária à computação.

A correção de fase resolve um desvio previsível, que pode ser medido e compensado. A decoerência exige alterações que preservem melhor o estado quântico durante o funcionamento. Por isso, o desenho do dispositivo, incluindo o micromagneto, é uma das áreas em que se pretende continuar a melhorar.

Camenzind descreveu esta limitação ainda existente e a resposta proposta pela equipa.

Esta é uma limitação, mas novas melhorias no desenho do dispositivo poderão ajudar a atenuar esta fonte de erro.

O artigo explica que a fidelidade necessária para tolerância a falhas depende do protocolo de correção de erros e dos tipos de ruído presentes. Valores superiores a 99,9% são amplamente apontados como objetivo para o funcionamento prático. Um sistema funcional também tem de combinar portas precisas com medições fiáveis e correção de erros repetida numa matriz muito maior. A equipa não indicou um calendário para chegar a essa fase.

Do primeiro manuscrito a um objetivo de investigação mais amplo

O trabalho passou por um preprint e pela publicação numa revista científica antes de o RIKEN anunciar os resultados. As principais datas são:

• 16 de julho de 2025: Os investigadores publicaram o primeiro preprint, 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 comunicado de imprensa em inglês do RIKEN, que descreve as conclusões, foi datado deste dia.

A colaboração inclui investigadores do RIKEN, da Universidade Nacional de Taiwan, da ETH Zurique e da QuTech, nos Países Baixos. A Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia apoiou o trabalho através do projeto JPMJMS256H, do Objetivo Moonshot 6, dedicado a tecnologias para um computador quântico de silício com tolerância a falhas.

A compatibilidade do silício com os processos de fabrico de semicondutores já estabelecidos abre caminho a uma integração de elevada densidade. A experiência acrescenta uma estratégia de controlo a essa vantagem de fabrico: vários qubits podem partilhar uma linha de micro-ondas e as interações indesejadas entre as suas fases podem ser corrigidas através de medições aos pares.

Seigo Tarucha, gestor do projeto de computação quântica de silício no âmbito do Objetivo Moonshot 6 da JST, definiu o objetivo a longo prazo.

O nosso objetivo a longo prazo é construir um computador quântico tolerante a falhas baseado em qubits de spin de silício, e um controlo paralelo fiável é um passo essencial para o alcançar.

Principais pontos

• O RIKEN e os seus colaboradores controlaram cinco qubits de spin de silício através de uma única linha de micro-ondas partilhada.
• As fidelidades individuais das portas ultrapassaram os 99,99%, com algumas a aproximarem-se de 99,999%.
• Até três qubits mantiveram uma fidelidade superior a 99,99% durante a operação simultânea; os cinco funcionaram com cerca de 99,9% ou mais.
• A calibração aos pares compensou os desvios de fase indesejados causados pelo efeito Stark AC.
• A potência de micro-ondas mais elevada provocou decoerência durante o funcionamento dos cinco qubits, pelo que a melhoria do dispositivo é agora o principal foco técnico.
• O estudo foi publicado na Nature Physics a 15 de outubro de 2026.