RIKEN contrôle cinq qubits de silicium avec précision au moyen d’une seule ligne micro-ondes partagée

Une seule ligne de contrôle, cinq qubits et une solution aux interférences indésirables

Des chercheurs du Centre RIKEN pour les sciences de la matière émergente, au Japon, et leurs collaborateurs ont piloté cinq bits quantiques de silicium à l’aide d’une seule ligne micro-ondes partagée, tout en maintenant la précision de leurs opérations individuelles à environ 99,9 % ou plus. Lorsque jusqu’à trois qubits fonctionnaient simultanément, la précision dépassait 99,99 % pour chacun, ce qui répond à un problème qui compliquait le contrôle de processeurs quantiques au silicium de plus grande taille.

L’étude, publiée dans Nature Physics le 15 octobre 2026, identifie les signaux micro-ondes eux-mêmes comme une source majeure d’interférences. Les signaux destinés à un qubit modifient les conditions de fonctionnement des autres. L’équipe a mesuré ces variations indésirables entre des paires de qubits, puis ajusté les signaux de contrôle pour les compenser.

Le résultat répond à deux problèmes qu’il faut résoudre conjointement : préserver la précision des opérations quantiques et réduire la quantité de câblage nécessaire au contrôle d’un processeur en expansion. Une ligne micro-ondes partagée simplifie l’architecture de contrôle, tandis que la méthode d’étalonnage aide à maintenir la précision lorsque plusieurs qubits fonctionnent en même temps.

Leon Camenzind, chercheur au RIKEN et premier coauteur de l’étude, qui a supervisé les expériences, a présenté cette avancée dans le communiqué de presse en anglais du RIKEN, daté du 16 octobre.

Cela montre qu’il est possible de maintenir un contrôle de haute fidélité même lorsque plusieurs qubits fonctionnent simultanément et constitue une étape importante vers le passage à l’échelle des processeurs quantiques à base de silicium.

Ce que signifient les chiffres de précision

L’article publié dans Nature Physics, intitulé « Simultaneous High-Fidelity Single-Qubit Gates in a Spin Qubit Array », présente des mesures d’opérations élémentaires appelées portes. Une porte modifie l’état quantique d’un qubit. La fidélité indique à quel point cette opération correspond au résultat visé.

Les cinq qubits ont chacun atteint une fidélité de porte largement supérieure à 99,99 %, certains approchant les 99,999 %. L’équipe a maintenu une fidélité supérieure à 99,99 % lorsque jusqu’à trois qubits fonctionnaient simultanément. Pour les cinq qubits en fonctionnement conjoint, l’article fait état d’une performance de 99,9 % ou plus ; le RIKEN résume ce résultat à environ 99,9 %.

Les décimales supplémentaires comptent. La différence entre 100 % et la fidélité donne une mesure moyenne de l’erreur de porte : 99,9 % correspond à 0,1 %, tandis que 99,99 % correspond à 0,01 %. Passer d’un niveau à l’autre divise cette mesure par dix. La correction d’erreurs quantiques dépend largement de la maîtrise de ces erreurs au fil de nombreuses opérations.

L’équipe a mesuré les portes élémentaires X et Y, qui font tourner l’état d’un qubit individuel autour de différents axes. Elles constituent les briques de base des circuits quantiques. Faire fonctionner plusieurs de ces portes simultanément permet à différentes parties d’un processeur de travailler de concert au lieu d’attendre leur tour.

Fonctionnement du dispositif en silicium

Les cinq qubits occupent de minuscules régions appelées boîtes quantiques, dans une structure composée de silicium et de silicium-germanium. Des électrodes métalliques créent et contrôlent ces régions confinées. L’information est encodée dans le spin de l’électron, une propriété quantique que l’on peut manipuler à l’aide de signaux micro-ondes.

Le dispositif utilise du silicium enrichi en isotope silicium 28. Le communiqué de recherche en japonais du RIKEN explique que le silicium 28 ne possède pas de spin nucléaire, ce qui contribue à créer un environnement magnétique plus stable pour les spins électroniques porteurs de l’information.

Trois couches superposées de grilles en aluminium définissent le réseau. Un petit aimant en cobalt crée un champ magnétique qui varie dans le dispositif, donnant aux qubits voisins des fréquences de fonctionnement espacées d’environ 150 mégahertz. Ces différences de fréquence permettent aux chercheurs de cibler les qubits individuellement, bien qu’ils partagent la même électrode micro-ondes.

La ligne partagée transporte des impulsions micro-ondes combinées, destinées à différents qubits. Des électrodes distinctes assurent toujours d’autres fonctions, notamment la mise en forme des boîtes quantiques et le réglage des interactions entre elles. La réduction du câblage concerne l’infrastructure de contrôle micro-ondes, l’un des aspects difficiles de l’extension de ce type de processeur.

Pourquoi les qubits ne peuvent pas simplement attendre leur tour

Les qubits de spin en silicium perdent les relations précises qui caractérisent leurs états quantiques lorsqu’ils restent en attente. Cette perte, appelée déphasage, peut altérer l’information avant le début de l’opération suivante. Dans ce dispositif, le temps moyen de déphasage à l’état inactif était d’environ 10,3 microsecondes, soit 10,3 millionièmes de seconde.

L’article fait état de temps de cohérence d’environ 100 microsecondes lors d’opérations pilotées, soit près de dix fois le temps de déphasage à l’état inactif. Une mesure d’écho de Hahn, qui utilise une séquence de contrôle pour contrer certaines formes de déphasage, a donné une moyenne d’environ 60 microsecondes. Chaque mesure décrit les qubits dans des conditions de fonctionnement différentes.

Ces temps courts rendent le contrôle parallèle indispensable en pratique. Si un grand processeur faisait fonctionner chaque qubit à tour de rôle, beaucoup d’autres resteraient inactifs pendant un temps précieux. La correction d’erreurs quantiques nécessite également des opérations coordonnées sur des groupes de qubits afin de détecter et de gérer les erreurs.

Le contrôle parallèle s’est jusqu’ici accompagné d’une baisse de précision. L’article de Nature Physics cite de précédentes expériences sur le silicium et le silicium-germanium, où la fidélité est passée de 99,95 % à 99,5 % lorsque deux qubits seulement fonctionnaient simultanément. L’équipe du RIKEN a étudié la cause physique de cette dégradation et une méthode pour la compenser.

L’effet des micro-ondes à l’origine des erreurs

Les chercheurs ont identifié le décalage Stark en régime alternatif comme la principale source de perte de précision lors du contrôle parallèle. Un champ micro-ondes peut modifier les niveaux d’énergie effectifs d’un qubit, même lorsque sa fréquence diffère de celle utilisée pour cibler ce qubit.

La phase d’un qubit décrit une relation entre les composantes de son état quantique. Modifier l’écart énergétique entre ces composantes change l’évolution de cette phase au fil du temps. Un déphasage inattendu signifie que l’impulsion de contrôle suivante agit sur un état qui s’est éloigné de celui visé par les chercheurs.

L’équipe a mesuré directement cette interférence entre les qubits Q3 et Q4. Le pilotage de Q4 a produit sur Q3 un déphasage d’environ 0,0379 radian, tandis que le pilotage de Q3 a entraîné sur Q4 un déphasage d’environ moins 0,0026 radian. Ces effets inégaux reflétaient les différentes puissances micro-ondes nécessaires pour faire fonctionner les deux qubits à la même vitesse.

Les déphasages augmentaient approximativement avec le carré de l’amplitude du signal de commande. Autrement dit, doubler l’amplitude pouvait produire un déphasage environ quatre fois supérieur, selon la relation mesurée. Des signaux de contrôle plus puissants rendaient donc leur compensation d’autant plus nécessaire.

Des mesures par paires pour alléger les étalonnages

Yi-Hsien Wu, premier auteur de l’étude, qui a mené les expériences dans le cadre de sa thèse, a expliqué comment l’équipe a réduit le volume d’étalonnage nécessaire à mesure que davantage de qubits fonctionnaient simultanément.

Au lieu d’exiger une procédure d’étalonnage entièrement distincte pour chaque combinaison possible de qubits, notre méthode s’appuie sur des étalonnages par paires pour compenser les déphasages indésirables.

Les chercheurs ont mesuré comment le fonctionnement d’un qubit modifiait la phase d’un autre. Ils ont ensuite additionné ces contributions individuelles pour calculer la correction nécessaire lorsque plusieurs qubits fonctionnaient ensemble. L’ajustement des phases micro-ondes a annulé les principaux déphasages indésirables. L’équipe a également étalonné les amplitudes des impulsions pour corriger les rotations trop importantes ou trop faibles.

Un test portant sur Q2, Q3 et Q4 a confirmé la validité de cette approche. Le déphasage accumulé par Q3 lorsque ses deux voisins fonctionnaient ensemble correspondait à la somme des effets mesurés séparément pour chacun d’eux. Lorsque les cinq qubits fonctionnaient simultanément, l’étalonnage par paires a donné d’aussi bons résultats qu’un étalonnage complet, qui mesurait chaque qubit pendant que les quatre autres étaient pilotés.

La prépublication de juillet 2025 de l’équipe indique que la charge d’étalonnage croît de façon quadratique avec le nombre de qubits, et non de façon exponentielle. En gros, doubler le nombre de qubits multiplie par environ quatre le volume de mesures par paires. Mesurer toutes les combinaisons de fonctionnement possibles ferait croître la charge bien plus rapidement, compliquant de plus en plus l’étalonnage de réseaux plus grands.

Des impulsions plus douces pour préserver la précision

L’étalonnage s’accompagnait d’impulsions micro-ondes soigneusement façonnées. Les chercheurs ont utilisé des impulsions à fenêtre de Kaiser, dont l’enveloppe est plus douce que celle des impulsions rectangulaires classiques. Cette forme atténue les composantes fréquentielles indésirables susceptibles de perturber les qubits voisins.

La prépublication fait état de fidélités des portes élémentaires individuelles d’environ 99,98 % avec des impulsions rectangulaires. Le passage aux impulsions à fenêtre de Kaiser a porté la fidélité des cinq qubits au-dessus de 99,99 %, certains approchant les 99,999 %. Cette comparaison montre que la forme d’un signal de contrôle peut compter autant que sa fréquence et son intensité.

L’équipe a évalué les performances au moyen de l’étalonnage aléatoire. Cette méthode applique des séquences d’opérations choisies au hasard et mesure à quelle vitesse la probabilité d’obtenir le résultat visé diminue à mesure que les séquences s’allongent. Cette baisse permet d’estimer la fidélité moyenne des portes.

La vitesse des portes nécessitait également un compromis. Des portes lentes exposent les qubits plus longtemps au déphasage, tandis que des portes très rapides exigent un pilotage micro-ondes plus puissant, susceptible d’introduire davantage de bruit. L’étude a fixé à 83 nanosecondes la durée minimale des portes en contrôle individuel et à 250 nanosecondes celle des portes simultanées dans l’expérience à trois qubits, afin de réduire l’amplitude de pilotage maximale.

Ce qui limite encore le fonctionnement des cinq qubits

Le fonctionnement simultané des cinq qubits exigeait davantage de puissance micro-ondes, et la fidélité est tombée aux alentours de 99,9 %. Les chercheurs ont attribué la perte restante principalement à une décohérence induite par le pilotage, c’est-à-dire à un affaiblissement de la cohérence quantique nécessaire au calcul.

La correction de phase compense un décalage prévisible, qui peut être mesuré et corrigé. La décohérence nécessite des modifications qui préservent mieux l’état quantique pendant le fonctionnement. La conception du dispositif, notamment le micromaimant, constitue donc un axe d’amélioration.

Camenzind a décrit cette limite persistante et la solution envisagée par l’équipe.

C’est une limite, mais de nouvelles améliorations de la conception du dispositif pourraient contribuer à atténuer cette source d’erreur.

L’article explique que la fidélité requise pour tolérer les fautes dépend du protocole de correction d’erreurs et des types de bruit présents. Des valeurs supérieures à 99,9 % sont largement visées pour une utilisation pratique. Un système opérationnel doit aussi associer des portes précises à des mesures fiables et à une correction d’erreurs répétée sur un réseau bien plus vaste. L’équipe n’a pas indiqué de calendrier pour atteindre ce stade.

Du premier manuscrit à un objectif de recherche plus vaste

Les travaux ont donné lieu à une prépublication, puis à une publication dans une revue, avant l’annonce du résultat par le RIKEN. Les principales dates sont les suivantes :

• 16 juillet 2025 : les chercheurs ont publié la première prépublication, arXiv:2507.11918v1.
• 15 octobre 2026 : Nature Physics a publié l’étude, DOI 10.1038/s41567-026-03466-2.
• 16 octobre 2026 : le RIKEN a daté son communiqué de presse en anglais présentant les résultats.

La collaboration réunit des chercheurs du RIKEN, de l’Université nationale de Taïwan, de l’ETH Zurich et de QuTech, aux Pays-Bas. L’Agence japonaise pour la science et la technologie a soutenu ces travaux dans le cadre du projet JPMJMS256H relevant de l’objectif Moonshot 6, consacré aux technologies nécessaires à un ordinateur quantique en silicium tolérant les fautes.

La compatibilité du silicium avec les procédés de fabrication des semi-conducteurs déjà établis ouvre la voie à une intégration dense. L’expérience ajoute à cet avantage industriel une stratégie de contrôle : plusieurs qubits peuvent partager une ligne micro-ondes, et leurs interactions de phase indésirables peuvent être corrigées à partir de mesures réalisées par paires.

Seigo Tarucha, responsable du projet d’informatique quantique sur silicium mené dans le cadre de l’objectif Moonshot 6 de l’Agence japonaise pour la science et la technologie, a exposé l’objectif à long terme.

Notre objectif à long terme est de construire un ordinateur quantique tolérant les fautes à base de qubits de spin en silicium, et un contrôle parallèle fiable constitue une étape essentielle pour y parvenir.

Points clés

• Le RIKEN et ses collaborateurs ont contrôlé cinq qubits de spin en silicium au moyen d’une seule ligne micro-ondes partagée.
• La fidélité des portes individuelles a dépassé 99,99 %, certains qubits approchant les 99,999 %.
• Jusqu’à trois qubits ont conservé une fidélité supérieure à 99,99 % en fonctionnement simultané ; les cinq qubits ont fonctionné à environ 99,9 % ou plus.
• Un étalonnage par paires a compensé les déphasages indésirables dus à l’effet Stark en régime alternatif.
• Une puissance micro-ondes plus élevée a induit de la décohérence lorsque les cinq qubits fonctionnaient ensemble ; l’amélioration du dispositif constitue la prochaine priorité technique.
• L’étude a été publiée dans Nature Physics le 15 octobre 2026.