RIKEN điều khiển chính xác năm qubit silicon qua một đường vi ba dùng chung

Một đường điều khiển, năm qubit và giải pháp khắc phục nhiễu không mong muốn

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Vật chất Mới nổi RIKEN của Nhật Bản cùng các cộng sự đã vận hành năm bit lượng tử silicon qua một đường vi ba dùng chung, đồng thời duy trì độ chính xác của từng phép toán ở mức khoảng 99,9% trở lên. Khi tối đa ba qubit hoạt động cùng lúc, độ chính xác của mỗi qubit vượt 99,99%, giải quyết một vấn đề vốn gây khó khăn cho việc điều khiển các bộ xử lý lượng tử silicon lớn hơn.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Physics ngày 15 tháng 10 năm 2026, xác định chính các tín hiệu vi ba là nguồn gây nhiễu chủ yếu. Tín hiệu dành cho một qubit làm thay đổi điều kiện vận hành của các qubit khác. Nhóm nghiên cứu đo những thay đổi không mong muốn này giữa từng cặp qubit, sau đó điều chỉnh tín hiệu điều khiển để bù trừ.

Kết quả này kết nối hai vấn đề cần được giải quyết đồng thời: duy trì độ chính xác của các phép toán lượng tử và giảm lượng dây dẫn cần thiết để điều khiển một bộ xử lý ngày càng lớn. Đường vi ba dùng chung giúp đơn giản hóa kiến trúc điều khiển, còn phương pháp hiệu chuẩn giúp giữ độ chính xác khi nhiều qubit hoạt động cùng lúc.

Leon Camenzind, nhà khoa học nghiên cứu tại RIKEN, đồng tác giả thứ nhất và là người giám sát các thí nghiệm, đã mô tả bước tiến này trong thông cáo báo chí tiếng Anh của RIKEN, đề ngày 16 tháng 10.

Kết quả này cho thấy có thể duy trì khả năng điều khiển độ trung thực cao ngay cả khi nhiều qubit được vận hành cùng lúc, đồng thời đánh dấu một bước quan trọng hướng tới mở rộng quy mô các bộ xử lý lượng tử dựa trên silicon.

Ý nghĩa của các con số về độ chính xác

Bài báo trên Nature Physics, có tiêu đề "Các cổng một qubit đồng thời với độ trung thực cao trong mảng qubit spin", trình bày các phép đo những thao tác cơ bản gọi là cổng. Một cổng làm thay đổi trạng thái lượng tử của qubit. Độ trung thực cho biết thao tác đó khớp với kết quả dự kiến đến mức nào.

Cả năm qubit đều đạt độ trung thực cổng cao hơn đáng kể so với 99,99%, trong đó một số qubit tiến gần 99,999%. Nhóm nghiên cứu duy trì độ trung thực trên 99,99% khi vận hành đồng thời tối đa ba qubit. Với cả năm qubit hoạt động cùng nhau, bài báo ghi nhận hiệu suất ở mức 99,9% trở lên; RIKEN tóm tắt kết quả này là khoảng 99,9%.

Các chữ số thập phân bổ sung rất quan trọng. Lấy 100% trừ độ trung thực sẽ cho ra thước đo sai số cổng trung bình: 99,9% tương ứng với 0,1%, còn 99,99% tương ứng với 0,01%. Chuyển từ mức này sang mức kia làm thước đo đó giảm mười lần. Khả năng sửa lỗi lượng tử phụ thuộc rất nhiều vào việc giữ sai số nhỏ qua nhiều phép toán.

Nhóm nghiên cứu đo các cổng X và Y cơ bản, vốn xoay trạng thái của từng qubit quanh những trục khác nhau. Đây là các khối cấu thành mạch lượng tử. Vận hành đồng thời nhiều cổng như vậy cho phép các phần khác nhau của bộ xử lý phối hợp thay vì phải chờ đến lượt.

Thiết bị silicon hoạt động như thế nào

Năm qubit nằm trong các vùng cực nhỏ gọi là chấm lượng tử, thuộc một cấu trúc làm từ silicon và silicon germanium. Các điện cực kim loại tạo ra và điều khiển những vùng bị giam giữ này. Thông tin được mã hóa trong spin electron, một tính chất lượng tử có thể được thao tác bằng tín hiệu vi ba.

Thiết bị sử dụng silicon được làm giàu bằng đồng vị silicon-28. Thông báo nghiên cứu bằng tiếng Nhật của RIKEN giải thích rằng silicon-28 không có spin hạt nhân, giúp tạo môi trường từ tính yên tĩnh hơn cho các spin electron mang thông tin.

Ba lớp cổng nhôm chồng lên nhau tạo thành mảng qubit. Một nam châm coban nhỏ tạo ra từ trường biến thiên trên thiết bị, khiến tần số vận hành của các qubit lân cận cách nhau khoảng 150 megahertz. Nhờ sự chênh lệch tần số này, các nhà nghiên cứu có thể điều khiển từng qubit riêng lẻ dù chúng dùng chung điện cực vi ba.

Đường dây dùng chung truyền các xung vi ba kết hợp dành cho những qubit khác nhau. Các điện cực riêng vẫn đảm nhiệm những việc khác, như định hình chấm lượng tử và điều chỉnh tương tác giữa chúng. Việc giảm dây dẫn nhắm vào hạ tầng điều khiển vi ba, một trong những khâu khó khăn khi mở rộng loại bộ xử lý này.

Vì sao các qubit không thể đơn giản thay phiên nhau

Qubit spin silicon mất dần các mối quan hệ chính xác bên trong trạng thái lượng tử khi phải chờ. Sự suy giảm này, gọi là mất kết hợp pha, có thể làm hỏng thông tin trước khi phép toán tiếp theo bắt đầu. Trong thiết bị này, thời gian mất kết hợp pha trung bình khi nghỉ vào khoảng 10,3 micro giây, tức 10,3 phần triệu giây.

Bài báo ghi nhận thời gian kết hợp khi đang được điều khiển vào khoảng 100 micro giây, xấp xỉ gấp mười lần thời gian mất kết hợp pha khi nghỉ. Phép đo Hahn echo, sử dụng một chuỗi điều khiển để khắc phục một số dạng mất kết hợp pha, cho kết quả trung bình khoảng 60 micro giây. Mỗi phép đo mô tả các qubit trong một điều kiện vận hành khác nhau.

Khoảng thời gian ngắn này khiến điều khiển song song trở thành nhu cầu thực tế. Nếu một bộ xử lý lớn vận hành từng qubit lần lượt, nhiều qubit khác sẽ phải chờ trong khoảng thời gian quý giá. Khả năng sửa lỗi lượng tử cũng cần các thao tác phối hợp giữa từng nhóm qubit để phát hiện và xử lý lỗi.

Điều khiển song song trước đây thường phải đánh đổi bằng độ chính xác. Bài báo trên Nature Physics dẫn lại các thí nghiệm trước đó với silicon và silicon germanium, trong đó độ trung thực giảm từ 99,95% xuống 99,5% khi chỉ hai qubit hoạt động đồng thời. Nhóm RIKEN tìm hiểu nguyên nhân vật lý của sự suy giảm này và cách khắc phục.

Hiệu ứng vi ba gây ra lỗi

Các nhà nghiên cứu xác định dịch chuyển Stark AC là nguyên nhân chính làm giảm độ chính xác khi điều khiển song song. Trường vi ba có thể làm thay đổi các mức năng lượng hiệu dụng của một qubit, ngay cả khi tần số của nó khác với tần số dùng để điều khiển qubit đó.

Pha của qubit mô tả mối quan hệ giữa các thành phần trong trạng thái lượng tử của nó. Việc thay đổi độ chênh năng lượng làm thay đổi cách pha phát triển theo thời gian. Pha dịch chuyển ngoài dự kiến đồng nghĩa xung điều khiển tiếp theo tác động lên một trạng thái đã lệch khỏi vị trí mà các nhà nghiên cứu dự tính.

Nhóm nghiên cứu đo trực tiếp nhiễu giữa hai qubit có ký hiệu Q3 và Q4. Điều khiển Q4 gây ra dịch pha khoảng 0,0379 radian trên Q3, còn điều khiển Q3 gây ra dịch pha khoảng âm 0,0026 radian trên Q4. Các tác động không bằng nhau phản ánh mức công suất vi ba khác nhau cần thiết để vận hành hai qubit ở cùng tốc độ.

Độ dịch pha tăng gần tương ứng với bình phương biên độ điều khiển. Nói đơn giản, theo mối quan hệ đo được, biên độ tăng gấp đôi có thể khiến độ dịch pha tăng khoảng bốn lần. Vì vậy, tín hiệu điều khiển mạnh hơn làm tăng nhu cầu bù trừ cẩn thận.

Đo từng cặp giúp tránh gánh nặng hiệu chuẩn tăng nhanh

Yi-Hsien Wu, tác giả thứ nhất đã thực hiện các thí nghiệm trong quá trình nghiên cứu tiến sĩ, giải thích cách nhóm giảm lượng hiệu chuẩn cần thiết khi có thêm qubit hoạt động đồng thời.

Thay vì phải thực hiện một quy trình hiệu chuẩn hoàn toàn riêng cho từng tổ hợp qubit có thể có, phương pháp của chúng tôi sử dụng các phép hiệu chuẩn giữa từng cặp qubit để bù cho những dịch pha không mong muốn.

Các nhà nghiên cứu đo mức độ một qubit đang hoạt động làm thay đổi pha của qubit khác. Sau đó, họ cộng các tác động riêng lẻ để tính độ hiệu chỉnh cần thiết khi nhiều qubit hoạt động cùng lúc. Việc điều chỉnh pha vi ba triệt tiêu các dịch chuyển không mong muốn chủ yếu. Nhóm cũng hiệu chuẩn biên độ xung để khắc phục các phép xoay quá lớn hoặc quá nhỏ.

Thử nghiệm với Q2, Q3 và Q4 ủng hộ cách tiếp cận này. Pha tích lũy trên Q3 khi hai qubit lân cận hoạt động cùng nhau khớp với tổng tác động đo được từ từng qubit lân cận riêng rẽ. Khi cả năm qubit hoạt động, hiệu chuẩn theo từng cặp đạt hiệu quả tương đương hiệu chuẩn toàn diện, trong đó mỗi qubit được đo khi bốn qubit còn lại đang được điều khiển.

Bản tiền ấn phẩm tháng 7 năm 2025 của nhóm mô tả khối lượng công việc hiệu chuẩn tăng theo bình phương số lượng qubit, thay vì tăng theo hàm mũ. Nói khái quát, số qubit tăng gấp đôi sẽ khiến khối lượng công việc theo từng cặp tăng khoảng bốn lần. Đo mọi tổ hợp vận hành có thể sẽ khiến khối lượng tăng nhanh hơn nhiều, làm cho việc hiệu chuẩn ngày càng khó khăn với các mảng lớn hơn.

Xung mượt hơn giúp duy trì độ chính xác

Phương pháp hiệu chuẩn được kết hợp với các xung vi ba có dạng được kiểm soát cẩn thận. Các nhà nghiên cứu sử dụng xung cửa sổ Kaiser, có đường bao mượt hơn xung hình chữ nhật thông thường. Dạng xung này triệt tiêu các thành phần tần số không mong muốn có thể gây nhiễu cho các qubit lân cận.

Bản tiền ấn phẩm ghi nhận độ trung thực của các cổng cơ bản riêng lẻ vào khoảng 99,98% khi dùng xung hình chữ nhật. Chuyển sang xung cửa sổ Kaiser giúp cả năm qubit đạt trên 99,99%, một số tiến gần 99,999%. So sánh này cho thấy hình dạng tín hiệu điều khiển cũng có thể quan trọng bên cạnh tần số và cường độ của nó.

Nhóm đánh giá hiệu suất bằng phương pháp đo kiểm chuẩn ngẫu nhiên. Phương pháp này áp dụng các chuỗi thao tác được chọn ngẫu nhiên rồi đo xem xác suất thu được kết quả như dự kiến giảm nhanh thế nào khi chuỗi dài hơn. Mức suy giảm đó giúp ước tính độ trung thực cổng trung bình.

Tốc độ cổng cũng cần được cân bằng. Cổng chậm khiến qubit chịu ảnh hưởng của mất kết hợp pha lâu hơn, còn cổng quá nhanh đòi hỏi tín hiệu vi ba mạnh hơn, có thể gây thêm nhiễu. Nghiên cứu sử dụng thời lượng cổng tối thiểu 83 nano giây khi điều khiển từng qubit, đồng thời đặt thời lượng các cổng đồng thời trong thí nghiệm ba qubit ở mức 250 nano giây để giảm biên độ điều khiển cực đại.

Điều gì vẫn hạn chế việc vận hành cả năm qubit

Điều khiển đồng thời cả năm qubit đòi hỏi công suất vi ba cao hơn, khiến độ trung thực giảm xuống gần 99,9%. Các nhà nghiên cứu cho rằng phần suy giảm còn lại chủ yếu do mất kết hợp gây ra bởi tín hiệu điều khiển, tức sự suy yếu của tính kết hợp lượng tử cần thiết cho tính toán.

Hiệu chỉnh pha xử lý một dịch chuyển có thể dự đoán, đo lường và bù trừ. Còn để khắc phục mất kết hợp, cần có những thay đổi giúp bảo toàn trạng thái lượng tử tốt hơn trong quá trình vận hành. Vì thế, thiết kế thiết bị, bao gồm nam châm vi mô, là trọng tâm cải tiến tiếp theo.

Camenzind mô tả hạn chế còn lại này và giải pháp nhóm đề xuất.

Đây là một hạn chế, nhưng những cải tiến tiếp theo trong thiết kế thiết bị có thể giúp giảm thiểu nguồn gây lỗi này.

Bài báo giải thích rằng độ trung thực cần thiết cho khả năng chịu lỗi phụ thuộc vào giao thức sửa lỗi và các loại nhiễu hiện diện. Các mức trên 99,9% được xem là mục tiêu phổ biến cho vận hành thực tế. Một hệ thống hoạt động được còn phải kết hợp các cổng chính xác với phép đo đáng tin cậy và việc sửa lỗi lặp đi lặp lại trên một mảng lớn hơn nhiều. Nhóm chưa đưa ra thời gian dự kiến đạt được giai đoạn đó.

Từ bản thảo đầu tiên đến mục tiêu nghiên cứu lớn hơn

Nghiên cứu được phát triển qua một bản tiền ấn phẩm và một bài báo đăng tạp chí trước khi RIKEN công bố kết quả. Các mốc chính gồm:

• Ngày 16 tháng 7 năm 2025: Các nhà nghiên cứu đăng bản tiền ấn phẩm đầu tiên, arXiv:2507.11918v1.
• Ngày 15 tháng 10 năm 2026: Nature Physics công bố nghiên cứu, với DOI 10.1038/s41567-026-03466-2.
• Ngày 16 tháng 10 năm 2026: RIKEN đề ngày thông cáo báo chí tiếng Anh mô tả các phát hiện.

Nghiên cứu có sự hợp tác của các nhà khoa học từ RIKEN, Đại học Quốc gia Đài Loan, ETH Zurich và QuTech ở Hà Lan. Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản hỗ trợ nghiên cứu thông qua dự án JPMJMS256H thuộc Mục tiêu Moonshot 6, tập trung vào công nghệ phát triển máy tính lượng tử silicon có khả năng chịu lỗi.

Khả năng tương thích của silicon với quy trình sản xuất bán dẫn hiện có mở ra hướng tích hợp mật độ cao. Thí nghiệm bổ sung một chiến lược điều khiển vào lợi thế sản xuất đó: nhiều qubit có thể dùng chung một đường vi ba, còn các tương tác pha không mong muốn giữa chúng có thể được hiệu chỉnh bằng các phép đo theo từng cặp.

Seigo Tarucha, quản lý dự án điện toán lượng tử silicon thuộc Mục tiêu Moonshot 6 của JST, nêu mục tiêu dài hạn.

Mục tiêu dài hạn của chúng tôi là xây dựng một máy tính lượng tử chịu lỗi dựa trên qubit spin silicon, và điều khiển song song đáng tin cậy là bước thiết yếu hướng tới mục tiêu đó.

Điểm chính

• RIKEN và các cộng sự điều khiển năm qubit spin silicon qua một đường vi ba dùng chung.
• Độ trung thực của các cổng riêng lẻ vượt 99,99%, một số tiến gần 99,999%.
• Tối đa ba qubit duy trì độ trung thực trên 99,99% khi vận hành đồng thời; cả năm qubit hoạt động ở mức khoảng 99,9% trở lên.
• Hiệu chuẩn theo từng cặp bù trừ các dịch pha không mong muốn do hiệu ứng Stark AC gây ra.
• Công suất vi ba cao hơn gây mất kết hợp khi vận hành cả năm qubit, khiến cải tiến thiết bị trở thành trọng tâm kỹ thuật tiếp theo.
• Nghiên cứu được công bố trên Nature Physics ngày 15 tháng 10 năm 2026.