Fünf Silizium-Spin-Qubits gleichzeitig über eine Mikrowellenleitung mit ~99,9 %

Einem von RIKEN geleiteten Team ist es gelungen, fünf Silizium-Spin-Qubits gleichzeitig über eine einzige gemeinsame Mikrowellenleitung anzusteuern. Die Fidelität der Ein-Qubit-Gatter blieb dabei bei rund 99,9 %, einem weithin als Ziel für Fehlertoleranz genutzten Wert. In ihrer am 15. Oktober 2026 im Open Access erschienenen Veröffentlichung in Nature Physics schreiben die Forschenden, die Hauptursache für den Fidelitätsverlust im Parallelbetrieb sei die AC-Stark-Verschiebung. Sie korrigieren sie mit einer Kalibrierroutine, deren Aufwand quadratisch statt exponentiell mit der Qubit-Zahl wächst. Das Ergebnis betrifft Ein-Qubit-Gatter in einem Fünf-Qubit-Array. Es ist kein vollständiger Prozessor, räumt aber ein konkretes Hindernis aus dem Weg, wenn viele Qubits sich Steuerhardware teilen sollen.

01Das Problem: gute Qubits, schlechte Nachbarn

Silizium-Spin-Qubits speichern Information im Spin einzelner Elektronen, die in Quantenpunkten eingeschlossen sind. Ihr Reiz liegt in der Fertigung: Sie sind mit der industriellen Halbleiterfertigung kompatibel. Ein-Qubit-Fidelitäten über 99 % sind Routine, doch die Autoren halten in ihrem Preprint fest, dass es nach wie vor eine große Herausforderung bleibt, hochpräzise Steuerung auf den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Qubits auszuweiten.

Paralleler Betrieb ist wichtig, weil Fehlerkorrektur ihn erfordert. Laut der Zusammenfassung des Quantum Computing Report setzt Fehlerkorrektur auf einem Siliziumprozessor Operationen an vielen Qubits zur selben Zeit voraus, und Qubits, die untätig auf ihren Einsatz warten, dephasieren rasch. Serielle Ansteuerung ist daher kein Ausweg. Auch eine eigene Steuerleitung für jedes Qubit ist unattraktiv. Die RIKEN-Mitteilung weist darauf hin, dass separate Steuersysteme für jedes Qubit größere Bauteile schwer handhabbar machen würden und gemeinsam genutzte Leitungen der praktikablere Weg seien.

Der Preis des Teilens: Eine Mikrowellenleitung führt Töne für mehrere Qubits gleichzeitig. Die Qubits im Array haben unterschiedliche Resonanzfrequenzen, sodass jeder Ton nur sein Ziel adressieren sollte. In der Praxis stört die nicht resonante Ansteuerungsleistung die anderen Qubits dennoch.

02Was die AC-Stark-Verschiebung bewirkt

Die Diagnose des Teams lautet: Durch Mikrowellenansteuerung hervorgerufene AC-Stark-Verschiebungen sind in diesem Fünf-Qubit-Siliziumarray die dominante Ursache für die Fidelitätsverluste. Ein Mikrowellenfeld verändert die effektiven Energieniveaus eines Qubits. Das ist kein Besetzungsfehler. RIKEN beschreibt es so: Das Feld verschiebt die Phase des Quantenzustands des Qubits. Werden andere Qubits an der Leitung angesteuert, nimmt jedes Qubit Phasenversätze auf, die es nie erhalten sollte. Diese Versätze drehen seinen Zustand weg vom beabsichtigten Gatter.

Die Verschiebung hängt davon ab, welche anderen Qubits wie stark angesteuert werden. Eine naive Lösung wäre, jede Kombination aktiver Qubits zu charakterisieren; die Zahl der Kombinationen wächst jedoch exponentiell mit der Array-Größe. Laut Paper vermeidet der gewählte Ansatz den exponentiellen Aufwand einer vollständigen Crosstalk-Charakterisierung.

03Paarweise Kalibrierung

Das Protokoll misst Phasenverschiebungen zwischen Qubit-Paaren und nutzt diese Messungen, um zu kompensieren, wenn mehr Qubits aktiv sind. Erstautor Yi-Hsien Wu sagt, so entfalle eine separate Kalibrierung für jede Qubit-Kombination. Der Preprint nennt die Skalierung ausdrücklich: Die Kalibrierung skaliert quadratisch mit der Qubit-Zahl und vermeidet exponentiellen Mehraufwand. Der Quantum Computing Report schreibt die Paarzahl als N(N-1). Für fünf Qubits sind das 20 geordnete Paare.

Der paarweise Ansatz impliziert, dass sich die Verschiebungen näherungsweise additiv überlagern, sodass Paardaten das Verhalten bei mehreren Qubits vorhersagen können. Das ist meine Lesart der Methode, keine Aussage der Quellen. Das Fünf-Qubit-Ergebnis belegt, dass dies in dieser Größenordnung zutrifft. Ob es auch für Dutzende Qubits an einer Leitung gilt, ist ungetestet.

Die Kalibrierung war eine von drei Zutaten. Laut Mitteilung nutzte das Team außerdem ein optimiertes Bauteildesign und sorgfältig zugeschnittene Mikrowellenpulse. Der Quantum Computing Report nennt Pulsformung mit Kaiser-Fenster und eine 125 ns lange Ein-Qubit-Ansteuerung. Das Bauteil ist ein Quantenpunkt-Array aus isotopenreinem ²⁸Si/SiGe; neben RIKEN gehören die National Taiwan University, die ETH Zürich und die TU Delft zur Kollaboration.

04Die Zahlen

Der Fünf-Qubit-Wert wird in den Quellen leicht unterschiedlich beschrieben. In der Zusammenfassung von RIKEN blieb die Genauigkeit bei etwa 99,9 %. Das Abstract in Nature sagt, die Fidelitäten blieben über der weithin angestrebten Fehlertoleranzschwelle von 99,9 %. Der Preprint beziffert sie auf Höhe der Schwelle. Ich würde 99,9 % als Arbeitswert ansehen. Die genannten Werte sind Fidelitäten der primitiven X- und Y-Gatter und damit nicht die Leistung ganzer Schaltungen. Die Autoren sagen das selbst: Die Gesamtfidelität hängt auch von Zwei-Qubit-Gattern, Zustandspräparation und Auslesung sowie vom Idling ab. Zwei-Qubit-Gatter in Silizium hinken den Ein-Qubit-Gattern generell hinterher, und das Paper behandelt sie nicht.

Der Abfall von über 99,99 % bei drei Qubits auf etwa 99,9 % bei fünf ist der interessante Teil. Die Kalibrierung beseitigt einen Großteil des Phasenfehlers, aber nicht alle Verluste. Den Rest führt das Team auf ansteuerungsinduzierte Dekohärenz zurück, einen anderen Mechanismus. Sie entsteht durch die höhere Mikrowellenleistung, die nötig ist, um mehrere Qubits gleichzeitig zu betreiben, und beeinträchtigt die Kohärenz selbst, statt einen Phasenversatz hinzuzufügen. Ein Phasenversatz lässt sich messen und aufheben. Verlorene Kohärenz lässt sich nicht zurückkalibrieren. Camenzind sagt, ein besseres Bauteildesign könne sie abmildern. Die Quellen liefern weder eine quantitative Aufschlüsselung, wie stark jeder Mechanismus bei fünf Qubits beiträgt, noch eine Prognose für größere Arrays.

05Warum es wichtig ist und was offen bleibt

Der praktische Anspruch betrifft Verdrahtung und Steuerungskomplexität. Weniger impedanzkontrollierte Mikrowellenleitungen pro Qubit bedeuten weniger Verkabelung und weniger Hardware bei kryogenen Temperaturen. Das ist für jeden Prozessor im Chip-Maßstab ein zentrales Problem. Das Paper schließt, gemeinsame Steuerleitungen könnten die Entwicklung großskaliger Halbleiter-Quantenprozessoren unterstützen. Seigo Tarucha von RIKEN, der ein Projekt zum Silizium-Quantencomputing im Rahmen des JST Moonshot Goal 6 in Japan leitet, nennt zuverlässige parallele Steuerung einen wesentlichen Schritt hin zu einer fehlertoleranten Maschine.

Mehrere Punkte bleiben offen:

• Skalierung. Fünf Qubits sind ein kleines Array. Die paarweise Kalibrierung ist polynomiell, doch Ansteuerungsleistung, Frequenzdichte und der Dekohärenzaufschlag steigen alle mit der Qubit-Zahl.
• Zwei-Qubit-Operationen und Auslesung. Sie waren nicht Teil der Demonstration. Die Fidelität ganzer Schaltungen wird von der schwächsten Operation bestimmt.
• Ansteuerungsinduzierte Dekohärenz. Sie ist nun die anerkannte Grenze und muss durch das Bauteildesign verringert werden.
• Stabilität. Die Kalibrierung ist nur nützlich, wenn die Phasenverschiebungen zwischen Rekalibrierungen konstant bleiben. Die Quellen berichten keine Drift.

06Ein verwandter Ansatz auf einer anderen Plattform

Ein separates Ergebnis der University of Osaka, veröffentlicht in npj Quantum Information, befasst sich mit dem Zielkonflikt zwischen Geschwindigkeit und Rauschen bei Spin-Qubits in GaAs. Die Forschenden fügten einem Flopping-Mode-Qubit einen dritten, elektrisch abstimmbaren Quantenpunkt hinzu. Sie erreichten Ansteuerungsfrequenzen über 100 MHz und 271 ± 20 MHz unter einer Abstimmbedingung. Mit Machine-Learning-Feedback auf die langsame Frequenzdrift erhöhten sie die geschätzte Dephasierungszeit von etwa 52 ns auf 580 ns. Für ein 4 ns langes Gatter maßen sie eine Fidelität von 99,56 %, die mit Pulsoptimierung auf 99,72 % stieg. Das ist ein anderes Materialsystem mit einem anderen Engpass, und die Fidelität liegt deutlich unter den RIKEN-Werten. Der gemeinsame Nenner ist die Abstimmbarkeit nach der Fertigung, die laut der Osaka-Gruppe helfen könnte, Unterschiede zwischen einzelnen Bauteilen auszugleichen. Beide Arbeiten betrachten die Steuerungstechnik und nicht nur die Qubit-Qualität als das Haupthindernis für die Skalierung von Halbleiter-Qubits.

Das RIKEN-Ergebnis zeigt, dass in einem Fünf-Qubit-Siliziumarray ein Großteil des Fehlers durch parallele Ansteuerung ein kalibrierbarer Phaseneffekt war und keine fundamentale Grenze. Der verbleibende Fehler stammt aus ansteuerungsinduzierter Dekohärenz.