RIKEN controlla cinque qubit di silicio in parallelo con fedeltà del 99,9%

📌 In Sintesi

• RIKEN controlla cinque qubit di silicio simultaneamente utilizzando una sola linea di controllo a microonde, mantenendo una fedeltà vicina al 99,9% per le operazioni a singolo qubit.
• La ricerca identifica nell’effetto Stark AC una delle principali cause degli errori durante il controllo parallelo e introduce una compensazione attraverso calibrazioni tra coppie di qubit.
• Il risultato riduce uno degli ostacoli alla scalabilità dei processori quantistici, ma non dimostra ancora il funzionamento di un computer quantistico completo e tollerante agli errori.

RIKEN ha dimostrato che cinque qubit di silicio possono essere controllati contemporaneamente mantenendo una fedeltà delle operazioni vicina al 99,9%, superando uno dei problemi che ostacolano la costruzione di processori quantistici con un numero elevato di unità di calcolo. Il risultato, pubblicato il 15 ottobre 2026 su Nature Physics, nasce dalla collaborazione fra il centro giapponese e ricercatori internazionali e affronta una criticità fondamentale: quando più qubit vengono manipolati in parallelo, i segnali necessari al controllo possono interferire tra loro e compromettere la precisione. La novità non consiste nell’aver aumentato il numero dei qubit, ma nell’aver individuato un metodo per controllarli insieme senza moltiplicare le connessioni elettroniche dedicate.

Cinque qubit di silicio controllati attraverso una sola linea a microonde

Il gruppo di ricerca coordinato da Seigo Tarucha, con il contributo di Yi-Hsien Wu e Leon Camenzind, ha utilizzato un dispositivo costituito da cinque qubit di spin elettronico realizzati in una struttura di silicio e silicio-germanio. Ogni qubit sfrutta lo stato di spin di un elettrone confinato in un punto quantistico, mentre il sistema di controllo modifica quello stato attraverso impulsi elettromagnetici opportunamente calibrati. L’elemento distintivo dell’esperimento riguarda l’architettura: tutti e cinque i qubit condividono una sola linea di controllo a microonde, anziché richiedere un collegamento indipendente per ogni operazione. Lo schema riduce una delle difficoltà della miniaturizzazione quantistica, perché moltiplicare i qubit comporta normalmente un aumento delle connessioni, dei circuiti di pilotaggio e delle possibili interferenze. Lo studio originale pubblicato su Nature Physics descrive un array realizzato su silicio isotopicamente purificato, progettato per ridurre il rumore magnetico che potrebbe alterare gli stati quantistici. Il progresso riguarda dunque una struttura fisica concretamente sperimentata, non una semplice simulazione. A differenza delle architetture quantistiche basate sull’elio superfluido, ancora oggetto di valutazioni teoriche, RIKEN presenta misurazioni ottenute su un dispositivo semiconduttore funzionante.

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L’effetto Stark AC provoca gli errori quando i qubit lavorano insieme

Il problema affrontato dai ricercatori nasce dal cosiddetto effetto Stark AC, un fenomeno attraverso il quale i segnali elettromagnetici modificano i livelli energetici effettivi dei qubit, introducendo spostamenti indesiderati nella fase dei loro stati quantistici. Quando una linea a microonde controlla più qubit simultaneamente, il segnale destinato a un elemento può influenzare anche quelli vicini, compromettendo la precisione delle operazioni. Il gruppo di RIKEN ha identificato questo fenomeno come la principale causa della perdita di fedeltà osservata durante il controllo parallelo e ha sviluppato una procedura di compensazione basata su misurazioni effettuate fra coppie di qubit. Invece di caratterizzare separatamente ogni possibile combinazione di operazioni, il metodo misura le interferenze a coppie e utilizza i risultati per calcolare le correzioni necessarie quando vengono controllati più elementi contemporaneamente.

Questa soluzione limita la complessità della calibrazione, evitando che il numero delle verifiche cresca rapidamente con quello dei qubit. Il protocollo viene combinato con impulsi di controllo opportunamente sagomati per ridurre le componenti indesiderate del segnale. Secondo il comunicato scientifico di RIKEN, la compensazione delle variazioni di fase permette di preservare una precisione elevata anche quando i qubit condividono la stessa infrastruttura elettronica, affrontando una delle difficoltà principali dei processori quantistici integrati.

Fedeltà superiore al 99,99% con tre qubit e vicina al 99,9% con cinque

I risultati sperimentali mostrano differenze significative in funzione del numero di qubit controllati contemporaneamente. Quando vengono eseguite operazioni individuali, tutti e cinque gli elementi raggiungono una fedeltà superiore al 99,99%, con alcuni risultati prossimi al 99,999%. La precisione rimane superiore al 99,99% anche quando vengono controllati fino a tre qubit in parallelo, mentre nell’operazione simultanea su tutti e cinque la fedeltà resta intorno al 99,9%. Sono risultati ottenuti attraverso tecniche di randomized benchmarking, utilizzate per stimare l’accuratezza delle porte logiche quantistiche. Il 99,9% non rappresenta però la probabilità che un programma eseguito da cinque qubit produca sempre il risultato corretto: misura la fedeltà delle specifiche operazioni a singolo qubit durante il controllo parallelo. La differenza è sostanziale perché un calcolo quantistico completo richiede anche porte logiche che coinvolgono più qubit, inizializzazione, lettura degli stati e gestione degli errori accumulati. L’esperimento conferma inoltre un limite ancora presente: aumentando il numero dei qubit controllati simultaneamente cresce la potenza a microonde necessaria, che può introdurre decoerenza e ridurre la precisione. La compensazione dell’effetto Stark AC elimina quindi una fonte importante di errori, ma non risolve automaticamente tutti i fenomeni fisici che limitano la scalabilità.

Il silicio può ridurre la complessità dei futuri processori quantistici

L’utilizzo del silicio rappresenta un vantaggio potenziale perché questa piattaforma condivide materiali e alcune tecnologie produttive con l’industria dei semiconduttori tradizionali. L’obiettivo dei ricercatori è realizzare array più grandi senza aumentare proporzionalmente il numero delle linee necessarie al controllo, che diventerebbero progressivamente difficili da gestire all’interno delle strutture criogeniche. Il gruppo ritiene che, con l’attuale architettura e sulla base dell’andamento della potenza richiesta, il metodo potrebbe estendersi a circa dieci qubit, ma questa possibilità non equivale a un risultato sperimentale già raggiunto. Saranno necessari miglioramenti nella progettazione dei micromagneti e nell’efficienza degli impulsi per ridurre la potenza impiegata e preservare ulteriormente la coerenza. La ricerca si inserisce nel percorso verso processori capaci di eseguire operazioni parallele e di sostenere schemi di correzione degli errori, un requisito centrale anche nei programmi industriali e governativi dedicati alla tolleranza ai guasti. Il tema emerge nel programma DARPA QBI al quale partecipa Google Quantum AI, orientato alla verifica di sistemi quantistici fault-tolerant, dove la capacità di mantenere precisione durante operazioni complesse costituisce uno dei principali parametri di valutazione.

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RIKEN supera un ostacolo tecnico, non completa il computer quantistico

La dimostrazione giapponese contribuisce a risolvere un problema spesso meno visibile rispetto alla corsa al numero dei qubit: un processore quantistico non diventa automaticamente più potente aggiungendo unità di calcolo se non è possibile controllarle contemporaneamente con sufficiente precisione. La possibilità di utilizzare una linea a microonde condivisa e compensare le interferenze attraverso calibrazioni tra coppie costituisce un progresso concreto verso dispositivi più integrati. Rimangono tuttavia da dimostrare la scalabilità del metodo su array significativamente più grandi, l’efficienza delle porte a due qubit e la capacità di eseguire cicli completi di correzione degli errori. La ricerca di RIKEN non annuncia quindi un computer quantistico commerciale né una macchina capace di superare i supercomputer convenzionali, ma una soluzione ingegneristica a uno dei problemi che separano i prototipi sperimentali dai processori quantistici utilizzabili su larga scala. Il valore del risultato consiste proprio nella precisione della dimostrazione: il silicio si conferma una piattaforma promettente, mentre il controllo parallelo compie un passo misurabile verso la costruzione di architetture più complesse.