סריג טרנסמונים עם מצמדים ברי-כוונון בסרגל המפה: סריג טרנסמונים

הארכיטקטורה בדוח (§8.3)

8.3.1 סריג טרנסמונים — סריג טרנסמונים עם מצמדים ברי-כוונון (sc)

הרעיון. טרנסמון (transmon) הוא צומת ג'וזפסון המחובר במקביל לקבל, ושתי רמותיו הנמוכות ביותר משמשות כקיוביט חשוף (enc_bare). הארכיטקטורה מרצפת טרנסמונים בסריג ליתוגרפי (cx_nn), ממתגת את החילוף בין שכנים במצמדים המכווננים בשטף (g_tc), מניעה אותם ממסדי ציוד בטמפרטורת החדר (ct_rt), קוראת אותם באופן דיספרסיבי (ro_disp) ומתקנת שגיאות בקוד המשטח המסובב, שבדיקותיו במשקל 4 הן השכנויות של הסריג עצמו. אטום מעגלי משרטטים, לא מוצאים: שערים נמשכים עשרות ננו-שניות [G], ומחזור תיקון השגיאות — 1.1 µs [D][1], השעון המהיר ביותר במפה (§7.4). המחיר הוא הקוהרנטיות (T₁ של 68 µs ב-Willow [D][32]), זהות הקיוביטים וכל צימוד מעבר לשכן. ההימור: המהירות והייצור על גבי פרוסות יעקפו את תקציב השגיאות; קישורים בין שבבים יבואו בהמשך.

מה היא צריכה. הכול נשען על fab_sc: הטרנסמון דורש ליתוגרפיה של צמתים, ולכן פיזור התדרים שלו נקבע בייצור; לכוונון שמתקן אותו אין עדיין טכנולוגיה. קוד המשטח דורש בדיקות בין שכנים בלבד. קודי bivariate-bicycle מחזיקים 12 קיוביטים לוגיים ב-288 פיזיים, במקום שבו קוד המשטח צריך כמעט 3,000, אך הם צריכים גרף מדרגה 6 [S][248]: code_qldpc דורש מצמדים לטווח ארוך (cx_lr) ומתנגש עם cx_nn, התנגשות פתוחה מאז 2024-03. הקריאה והאיפוס הם שני שלישים מהסבב הנגזר, בן 651 ns [S] (§7.4). ארבע טכנולוגיות בקרה מחליפות זו את זו ברמת האות הבודד, לא ברמת המכונה — מעבד Heron r2 הפעיל רכיבי ASIC לבקרת שטף ב-CMOS קריוגני, בתצורה היברידית עם RF בטמפרטורת החדר (מרץ 2026) [C]. שני המסלולים הקרים מתנגשים עם הטרנסמון: CMOS קריוגני (ct_cryocmos) בשל תקציב החום של תא הערבול, ו-SFQ (ct_sfq) בשל קוואזי-חלקיקים — פוטוני המיתוג שלו שוברים זוגות קופר, 0.96(2)% מתוך שגיאה של 1.2(1)% לשער קליפורד ב-2023 [D][249]; ההפחתה חזויה, אך טרם נמדדה באופן בלתי תלוי. לקידוד יש אפשרות אחת; משבצת המתמר מיקרוגל–אופטי ריקה.

היכן היא עומדת. 78 מתוך 184 המכונות במרשם, ו-62 התקנים (טבלה 8.3): 39 בהפעלה, 18 הודגמו, 7 הוצאו משימוש, 13 הוכרזו או מתוכננות, 1 בסטטוס אחר; IBM מספקת 16 שורות, וסין 18. ההתקן הגדול ביותר עם שער שנמדד הוא IBM Quantum Osprey — 413 מתוך 433 הקיוביטים שלו היו שמישים בענן במשך ארבעה חודשים ב-2023 כהדגמה טכנית ניסיונית, עם ביצועים ש-IBM תיארה כעקביים עם Eagle r1 וללא נתון שער שפורסם מעבר לכיול הפלטפורמה [C][292]; השבב הגדול ביותר, IBM Quantum Condor (1,121 קיוביטים), שנחשף בדצמבר 2023 כ"אבן דרך של חדשנות" ולא הוצע מעולם למשתמשים, הוא מדגים קנה מידה שאת השער שלו IBM רק תיארה כדומה ל-Osprey [C][292]. שגיאת ה-2Q הטובה ביותר, 1.0×10⁻³ ב-Origin Wukong-180 (4th gen), היא נתון של החברה [C] (טבלה 8.3); הממוצע של Willow על פני ההתקן הוא 99.88% [D][32]. על Willow הורץ d=7 ב-Λ = 2.14 [D][1], ולאחר מכן הושגו 7.72×10⁻⁴ למחזור (יולי 2026) [D][2]; על Zuchongzhi 3.2 הורץ d=7 ב-Λ = 1.40 [D][3]. משבצות הקוד, המפענח והחיבור הבין-מודולי ריקות ב-54, 66 ו-59 מכונות; 12 שורות אינן מפרסמות מנגנון שער; 327 מתוך 843 תאי הראיות מתועדים.

חריגים והשאלות. אף מכונה אינה נופלת מחוץ למשבצות או מתאימה טוב יותר לארכיטקטורה אחרת; את הכיוון נושאות החלופות. החיווט יוצא מקצה השבב (ct_vio) ב-RIKEN 64, ב-RIKEN–Fujitsu 256, ב-OQC Toshiko וב-QuantWare Bass-A10K (VIO-40K), והמסדים עדיין חמים; הבקרה עוברת לקור רק בחלקה או בקנה מידה קטן: רכיבי ASIC לבקרת שטף ב-CMOS קריוגני, בתצורה היברידית עם RF בטמפרטורת החדר, ב-Heron r2 וכחלופה ב-Starling וב-Blue Jay, ו-SFQ במערכת בת חמשת הקיוביטים של SEEQC (שערי קיוביט יחיד בלבד); תכנון QuamCore עם בקרת SFQ אינו רשום עד שהחברה תקבע תאריך להתקן ראשון. ב-Sycamore וב-Zuchongzhi הפיסות מוערמות (ic_multidie); מודולים (ic_mcm) מסופקים רק ב-Rigetti Cepheus, ב-99.6%→99.1% [C][36]. קו ה-utility של IBM ממוקם בהפחתת שגיאות (code_mitig: Eagle, Heron r3, Nighthawk r2) ובגילוי שגיאות (code_detect: Falcon, Heron r2/r3, Origin Wukong 3rd gen); qLDPC רץ רק על Kunlun. חברות בשם בלבד: Osprey, Eagle, Condor, Falcon ו-LBNL AQT, המשתמשות בתהודה צולבת (g_cr) ולא במצמדים ברי-כוונון; מטרות (Amaravati, CSCS, KRISS 50); תוכניות (מ-Kookaburra עד Blue Jay, Fujitsu 10,000); מערכי ניסוי לרכיבים (המצמד של Toshiba, Loon); מחסניות שלא פורסמו (Tianyan-504, RIKEN–Fujitsu 256, Toshiko). תאי הפער מראים שהארכיטקטורה משורטטת צרה מדי: אפיק דרך מהוד מרכזי (IQM Star 24, VLQ, DRDO–TIFR), יחידות להסרת דליפה (Willow, Zuchongzhi 3.2), כוונון תדרים לאחר הייצור (Willow, Cepheus, Academia Sinica). ארכיטקטורת המסילה הכפולה שואלת את transmon, ct_vio ו-ic_mcm; ארכיטקטורת החתול — את ic_multidie; ארכיטקטורות הספינים — את ct_cryocmos.

המבחן הבא. ציפיות עד 31 במרץ 2028 (§5.2). זיכרון bivariate-bicycle על מצמדי c, ב-Kookaburra או ביורש של Kunlun, מדווח על שגיאה לוגית למחזור הנמוכה משגיאת הסרק הפיזית שלו; 8.91% של Kunlun [P][72]–[74] הם קו הבסיס. אם Kookaburra שוב לא יסופק עד סוף 2027, ענף ה-qLDPC יורד בדירוג, והארכיטקטורה נשארת מכונת קוד משטח עם >10³ קיוביטים פיזיים לכל קיוביט לוגי ב-10⁻⁶ [S] (§2.1). ובנוסף: התקן בעל שערים מעל 433 קיוביטים עם שגיאות שער דו-קיוביטי שפורסמו, וכן בקרה ב-CMOS קריוגני או ב-SFQ של ≥50 קיוביטים; אם אף אחד מהם לא יופיע והקריאה תישאר סביב 10⁻², ההגדלה באמצעות ייצור יורדת בדירוג להגדלה באמצעות מודולים.

מה אומרים הבונים. Google טוענת שמעבדים מוליכי-על מתרחבים בעומק המעגל, עם מחזורים של מיקרו-שנייה, ואילו אטומים ניטרליים מתרחבים במספר הקיוביטים [C][2], [9], ומצפה למכונות מוליכות-על בעלות רלוונטיות מסחרית עד סוף העשור הזה, בלי לנקוב במספר קיוביטים [R][2], [9]. Rigetti מכוונת לכ-1,000 קיוביטים בנאמנות שער דו-קיוביטי של 99.9% בתוך כשלוש שנים, בנויים משבבונים [R][61]. Fujitsu בונה מכונה של יותר מ-10,000 קיוביטים פיזיים ו-250 לוגיים לשנת הכספים 2030 [R][75], [76]. IBM בחרה בקוד qLDPC (קוד בדיקות זוגיות בצפיפות נמוכה, שבדיקותיו מחברות קיוביטים מרוחקים) משום שהוא מתקן שגיאות טוב כמו קוד המשטח עם פי עשרה פחות קיוביטים [D][481]; היא מתכננת את Kookaburra, מודול ה-qLDPC הראשון, ל-2026, ואת Starling, 100 מיליון שערים על 200 קיוביטים לוגיים, ל-2029 [R][481].

המכונות של ארכיטקטורה זו (במרשם: 78, מהן 62 התקנים, 52 בעלי שערים). IBM — IBM Quantum Starling (מתוכנן, 22,000), IBM Quantum Condor (הודגם, 1,121), IBM Quantum Osprey (הוצא משימוש, 433), IBM Quantum Heron r2 (בהפעלה, 156), IBM Quantum Heron r3 (ibm_pittsburgh) (בהפעלה, 156), IBM Quantum Heron r1 (הוצא משימוש, 133), IBM Quantum Eagle r1-r3 (הוצא משימוש, 127), IBM Quantum Nighthawk r1 (בהפעלה, 120), IBM Quantum Nighthawk r2 (בהפעלה, 120), IBM Quantum Loon (הודגם, 112), IBM Quantum Egret (הוצא משימוש, 33), IBM Quantum Falcon r5.11 (הוצא משימוש, 27), IBM Quantum Blue Jay (מתוכנן), IBM Quantum Cockatoo (מתוכנן), IBM Quantum Flamingo (l-coupler proof of concept) (הודגם), IBM Quantum Kookaburra (מתוכנן); Beijing Academy of Quantum Information Sciences — Baihua (Quafu platform) (בהפעלה, 156), ScQ-136 "Baiwang" (בהפעלה, 136), Dongling (Quafu platform) (בהפעלה, 130), Haituo (Quafu platform) (בהפעלה, 117), Shenglian (BAQIS) (הודגם, 84); IQM Quantum Computers — IQM Halocene (הוכרז, 150), IQM Emerald (IQM Crystal 54) (בהפעלה, 54), IQM Star 24 (בהפעלה, 24), IQM Garnet (IQM Crystal 20) (בהפעלה, 20), IQM six-qubit star QPU (Deneb-class) (הודגם, 6); Rigetti Computing — Rigetti Cepheus-1-108Q (בהפעלה, 108), Rigetti Ankaa-2 (בהפעלה, 84), Rigetti Ankaa-3 (בהפעלה, 84), Rigetti Cepheus-1-36Q (בהפעלה, 36), Rigetti Novera (בהפעלה, 9); Google Quantum AI — Willow (הודגם, 105), Sycamore-class 72-qubit processor (הודגם, 72), Sycamore (הוצא משימוש, 53); Origin Quantum — Origin Wukong-180 (4th gen) (בהפעלה, 180), Origin Wukong 102 (בהפעלה, 102), Origin Wukong (3rd gen) (בהפעלה, 72); QuantWare — QuantWare Bass-A10K (VIO-40K) (הוכרז, 10,000), QuantWare Tenor-D64 (אחר, 64), QuantWare Contralto-A17 (בהפעלה, 17); USTC / Hefei National Laboratory — Zuchongzhi 3.2 (הודגם, 107), Zuchongzhi 3.0 (הודגם, 105), Zuchongzhi 2.1 (הוצא משימוש, 66); Korea Research Institute of Standards and Science — KRISS 50-qubit-class superconducting system (הוכרז, 50), KRISS domestic superconducting QPU (בהפעלה, 20); QpiAI — QpiAI Kaveri (הוכרז, 64), QpiAI Indus (בהפעלה, 25); RIKEN RQC + Fujitsu — RIKEN-Fujitsu 256-qubit superconducting quantum computer (בהפעלה, 256), RIKEN RQC-Fujitsu 64-qubit superconducting quantum computer (בהפעלה, 64); Academia Sinica — Academia Sinica 20-qubit superconducting quantum computer (הודגם, 20); Anyon Systems — Anyon MonarQ (בהפעלה, 24); Barcelona Supercomputing Center (Quantum Spain; installed by Qilimanjaro-GMV) — Quantum Spain quantum computer at BSC (בהפעלה, 35); Basque Government (BasQ) - IBM-Euskadi Quantum Computational Center — IBM Quantum System Two, Donostia-San Sebastian (בהפעלה, 156); CAS / Peking University — Zhuangzi 2.0 (Chuang-tzu 2.0) (הודגם, 78); Chalmers University of Technology (WACQT) — WACQT quantum computer (Chalmers 25-qubit flip-chip processor) (הודגם, 25); China Telecom Quantum Group + CAS + QuantumCTek — Tianyan-504 / "Xiaohong" chip (בהפעלה, 504); China Telecom Quantum Group + QuantumCTek — Tianyan-176 / Tianyan-176 II (and Tianyan-24 sibling) (בהפעלה, 66); China Telecom Quantum Group / QuantumCTek / CAS — Tianyan-287 (בהפעלה, 105); DRDO DYSL-QT with TIFR and TCS — 6-qubit superconducting quantum processor (הודגם, 6); ETH Zurich (Quantum Device Lab) — Surface-17 (הודגם, 17); Fraunhofer-Gesellschaft — IBM Quantum System One, Ehningen (בהפעלה, 27); Fujitsu (+ RIKEN) — Fujitsu 1,000-qubit machine (מתוכנן, 1,000); Fujitsu + AIST + RIKEN — Fujitsu >10,000 physical / ~250 logical (STAR) (הוכרז, 10,000); IBM with ETH Zurich (CSCS) and Lockheed Martin — IBM Quantum System Two at CSCS (Swiss Quantum Innovation Hub) (הוכרז, 120); IBM with TCS and the Government of Andhra Pradesh — IBM Quantum System Two at Amaravati Quantum Valley Tech Park (הוכרז, 156); IQM Quantum Computers with Instituto de Pesquisas Eldorado — IQM Spark at Eldorado Research Institute (הוכרז, 5); IT4Innovations National Supercomputing Center (VSB - Technical University of Ostrava) — VLQ (בהפעלה, 24); Israeli Quantum Computing Center (Quantum Machines + QuantWare + Qolab + ORCA) — IQCC superconducting facility (בהפעלה, 25); Lawrence Berkeley National Laboratory — Advanced Quantum Testbed (AQT) (בהפעלה, 8); Oxford Quantum Circuits — OQC Toshiko (בהפעלה, 32); Qolab — Qolab devices at the IQCC (בהפעלה); RIKEN with AIST, NICT, Osaka University, Fujitsu, NTT — RIKEN 64-qubit superconducting processor (בהפעלה, 64); SEEQC — SEEQC SFQ-controlled 5-qubit system (הודגם, 5); SpinQ Technology — SpinQ Ursa Major (25 q / 103 q) (בהפעלה, 25); Toshiba + RIKEN RQC + University of Tokyo — Toshiba double-transmon coupler (הודגם, 2); Tsinghua University IIIS (D.-L. Deng) with Zhejiang University (H. Wang, C. Song groups) — Kunlun (הודגם, 32); VTT Technical Research Centre of Finland — VTT Q50 (בהפעלה, 50); Zhejiang University + Graduate School of China Academy of Engineering Physics (Beijing) — Zhejiang University 125-qubit surface-code processor (הודגם, 125).

תאים מחוץ למשבצות הארכיטקטורה (25). Academia Sinica 20-qubit superconducting quantum computer: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; Academia Sinica 20-qubit superconducting quantum computer: L10 ∅G-calib (פער אטלס — post-fabrication laser trimming tunes qubit frequencies (same slot as Rigetti ABAA / IQM P); Quantum Spain quantum computer at BSC: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; Tianyan-504 / "Xiaohong" chip: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; 6-qubit superconducting quantum processor: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; 6-qubit superconducting quantum processor: L4 ∅G-bus (פער אטלס — ring-resonator design invented at TIFR: qubits sit around one shared ring resonator used a); Fujitsu >10,000 physical / ~250 logical (STAR): L5 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; Fujitsu >10,000 physical / ~250 logical (STAR): L7 ∅G-analogrot (פער אטלס — STAR: arbitrary-angle rotations by direct state injection, no distillation; 10⁴ q at p=1e-); Fujitsu 1,000-qubit machine: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; Willow: L6 ∅G-lru (פער אטלס — DQLR + 4 dedicated leakage-removal qubits in the 101-qubit d=7 patch; leakage rate not pub); Willow: L10 ∅G-calib (פער אטלס — Snake optimiser splits ~3N-dim frequency problem; ~3.7× cycle-error suppression, mean cycl); IQM Halocene: L4 ∅G-bus (פער אטלס — Constellation option: Star cells, each a central computational resonator giving all-to-all); IQM Star 24: L4 ∅G-bus (פער אטלס — Star topology: central computational resonator bus giving all-to-all within the cell (degr); IQM six-qubit star QPU (Deneb-class): L4 ∅G-bus (פער אטלס — star topology: all six qubits coupled only to the central computational resonator, effecti); VLQ: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; VLQ: L4 ∅G-bus (פער אטלס — star topology: 24 qubits connected to one central resonator, all-to-all through it); KRISS 50-qubit-class superconducting system: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; OQC Toshiko: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; Rigetti Cepheus-1-108Q: L10 ∅G-calib (פער אטלס — ABAA (alternating-bias assisted annealing) post-fab JJ frequency targeting, 97.4% success ); Rigetti Cepheus-1-36Q: L10 ∅G-calib (פער אטלס — ABAA (alternating-bias assisted annealing) post-fab JJ frequency targeting, 97.4% success ); RIKEN 64-qubit superconducting processor: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; RIKEN-Fujitsu 256-qubit superconducting quantum computer: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; RIKEN RQC-Fujitsu 64-qubit superconducting quantum computer: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; SEEQC SFQ-controlled 5-qubit system: L3 undisclosed במקום שבו הארכיטקטורה מצפה לטכנולוגיה; Zuchongzhi 3.2: L6 ∅G-lru (פער אטלס — all-microwave leakage-reduction units on data qubits; leakage population suppressed 72× to).