בקרה חשמלית בפס בסיס (ספינים, מיורנה)

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

בקרה חשמלית בפס בסיס (ספינים, מיורנה) ct_base

פולסי מתח מ-DC ועד כמה GHz על אלקטרודות שער ליתוגרפיות מניעים חילוף, מנהור וזוגיות בהתקני ספין ובהתקני מיורנה, ללא הנעה תהודתית.

ct_base · שכבה 5 בקרה · הודגם · מאז 2012

פתח במפה

פולסי מתח על אלקטרודות שער; ספרתית, צפופה; עומס הכיול מתבטא כשגיאה קוהרנטית.

תקציר ←

מקורות מרכזיים

[416] D. P. DiVincenzo, D. Bacon, J. Kempe, G. Burkard, and K. B. Whaley, “Universal quantum com… · 2000

[898] A. S. Ivlev et al., “Sparse qubit operation in a 6×6 quantum dot array,” arXiv:2610.07683,… · 2026

מרחב התכן — תכונות

(a) זיקת הנושא: מיוצר
(b) זמן · שזירה: —
(c) קריאה: —
(d) ניידות: —
(e) בקרה: חשמלית בתדר נמוך @ טמפרטורת החדר
(f) מבנה השגיאה: קוהרנטית / כיול
(g) ייצור: מפעל CMOS 300 mm

מרחב ההערכה — תכונות מתוארכות

extrinsic control share of CNOT error → ~80% (HRL)

מגדירה: ערוץ השגיאה · 2026-07 · מקור

נתון שער הדילוג בפס בסיס של QuTech, 99.50(6)%, הוא חסם תחתון, לא אומדן נקודתי. ה-Λ = 4.7 של HRL הוא קוד חזרה להיפוכי ביט בלבד, ונאמנות ה-[[4,2,2]] שלו, 0.95, היא בבחירה בדיעבד.

רשומות סטנדרטיות

קווי בקרה לקיוביט → 0.18 · theory

Si quantum-dot crossbar: 'combined control reduces the total number of gate lines to N_wires ~ 4*sqrt(2N)+1' - ~180 lines for 1,000 qubits · 2017-11 · מקור [S] ⓘ

השהיית הזנה קדימה → לא פורסם · טיפוסי

Real-time feedback tracks the SET operating point and Larmor/Rabi frequencies, but no latency is quoted · 2025-09 · מקור [D] ⓘ

מרווח בין כיולים → לא פורסם · טיפוסי

'The consistent calibration of qubits at the level demonstrated here remains an intensive manual process' - no interval given · 2025-09 · מקור [D] ⓘ

שחקנים ויעדים — ביאורים

ספינים בנקודות קוונטיות בצורן / גרמניום — Intel, Diraq, Quantum Motion, HRL→IBM, QuTech/Groove, Quobly, Equal1 · G4 G7

ספיני תורמים בצורן — SQC · G7

ספינים במרכזי צבע — צומתי רשת (NV/SiV/T) — QuTech/Fujitsu, Harvard, Photonic Inc, Quantum Brilliance · G6

טופולוגי — טטרון (מיורנה) — Microsoft · —

קשתות

נחוצה עבור: שער חילוף (ספינים; כולל CZ בספינים מוסעים)°, שערי ספין במיקרוגל / אופטיים (מרכזי פגם, ספינים 1Q)°, שער מיורנה מבוסס-מדידה

° אחת מכמה שהיו מתאימות · הדרך המקובלת, לא דרישה מחייבת

בשימוש: 9 מכונות (7 ראשית · 2 חלופית)

ספינים במוליכים למחצה 5
foundry 8-qubit array Diraq מאמר עיתונות ▤ §IV.2 Methods: Measurement ✅
Groove Quantum 18-qubit germanium spin processor Groove Quantum עיתונות ▨ 🔎
Alloy Pioneer (Quobly) Quobly עיתונות ▨ 🔎
11-qubit donor processor Silicon Quantum Computing מאמר עיתונות ▤ Methods: Experimental set-up 🔎
HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots) HRL Laboratories (IBM since 26 Aug 2026) מאמר עיתונות ▣ Introduction; Fig. 2c ✅ (חלופית)
ספיני פגם 2
Entanglement First modules Photonic Inc. מאמר דף מוצר דף מוצר ▣ Fig. 2A (on-chip MW/RF antenna, grating coupler); Fig. 2B (MW lines, optical modulators) ✅
Quoll / QB-QDK 2.0 Quantum Brilliance עיתונות ▨ 🔎 (חלופית)
טופולוגי 2
Majorana 1 Microsoft מאמר עיתונות ▤ §Device design and setup; Fig. 3 caption (VWP1 gate voltage and B∥ operating point) ✅
Majorana 2 Microsoft בלוג בלוג עיתונות ◌ 🔎

↗ כרטיס המרשם שלה · מאמר / מוצר / עיתונות: קישורים שבהם המכונה נזכרת בשמה (הייחוס נבדק ב-20 בספטמבר 2026)

תמונות

כל תמונה מלווה בתיאור של מה שהיא מראה ובשורת הקרדיט שלה.

Fig. 13 — Supplementary Figure 13: Baseband pulse sequence and iSWAP pulse shape: a, Time trace of the OPX output voltages on the device gates during a repre… — Data plots of control voltages: (a) gate-electrode voltages on a germanium spin-qubit device over a 1250 ns window, split into initialisation, Pauli-spin-blockade readout and control; (b) the calibrated exchange pulse, a smooth window reaching -24.64 mV. From supplementary material of "Engineering two-qubit gates via anisotropic exchange in germanium spin qubits" by Leonardo Massai et al., output by a Quantum Machines OPX control system. Notice the two kinds of control: microwave bursts for single-qubit rotations, and a baseband pulse on barrier and plunger gates switching on exchange for an iSWAP gate. “Fig. 13 — Supplementary Figure 13: Baseband pulse sequence and iSWAP pulse shape: a, Time trace of the OPX output voltages on the device gates during a representative…” by Leonardo Massai et al., arxiv.org/abs/2608.16716, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 1 — Fig. 1: Device and measurement protocol of the 18-qubit modular array. a, False-colored scanning electron microscope image of the 18-qubit device. O… — A composite figure: a false-coloured scanning electron micrograph of an 18-qubit gate-defined quantum-dot array (100 nm scale bar), plus charge-stability maps and calibration plots. It is Fig. 1 of "Simultaneous operation of an 18-qubit modular array in germanium" by J.J. Dijkema, N.W. Hendrickx and colleagues. Each spin qubit sits under a blue plunger gate, with red barrier gates tuning the coupling between neighbours; the arrowed panels show the tune-up chain, from charge stability and Pauli spin blockade to Rabi and two-qubit spectroscopy. “Fig. 1 — Fig. 1: Device and measurement protocol of the 18-qubit modular array. a, False-colored scanning electron microscope image of the 18-qubit device. Ohmic…” by J.J. Dijkema et al., arxiv.org/abs/2604.01063, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 5 — Figure S1: Basic operation of the 11-qubit atom processor via detuning gates. a, Scanning tunneling micrograph showing the core of the atom processo… — A two-panel figure. (a) A real scanning tunnelling micrograph (100 nm scale bar) of the processor core on silicon-28: two patterned gates, a single-electron-transistor (SET) charge sensor and the sites of two donor registers, 4P and 5P (four and five phosphorus atoms), each with one electron (e1, e2); (b) a measured charge-stability map versus the two gate voltages, with charge states, a detuning axis ε and the working point where an antenna drives electron and nuclear spin resonance (ESR, NMR). It is Figure S1 of 'An 11-qubit atom processor in silicon' by Hermann Edlbauer and co-authors. Gate voltages set the electron charge states of these atomically placed donors. “Fig. 5 — Figure S1: Basic operation of the 11-qubit atom processor via detuning gates. a, Scanning tunneling micrograph showing the core of the atom processor with the…” by Hermann Edlbauer et al., arxiv.org/abs/2506.03567, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

ct_base · layer 5 בקרה · centrality 10.2 · demonstrated · since 2012 · updated 2026-09-30

בקרה חשמלית בפס בסיס (ספינים, מיורנה)

פולסי מתח מ-DC ועד כמה GHz על אלקטרודות שער ליתוגרפיות מניעים חילוף, מנהור וזוגיות בהתקני ספין ובהתקני מיורנה, ללא הנעה תהודתית.

Verdict. הפיזיקה מוכרעת; החיווט לא. HRL מייחסת כ-80% משגיאת ה-CNOT שלה לבקרה ולכיול ולא לקיוביט, ולכן המנוף הוא מיקום משותף בקור — לא פולסים מהירים יותר.

Key references

Λ = מקדם דיכוי השגיאות לכל צעד במרחק הקוד; QBI = DARPA Quantum Benchmarking Initiative (שלב A — רעיון → B — תוכנית מו״פ → C — אימות ותיקוף (V&V) ממשלתיים); G1–G7 = מחלקות היעדים של הדוח (ראו "שחקנים וכלכלה").

זהות ומוצא

בקרה בפס בסיס מפעילה קיוביט בפולסי מתח מ-DC ועד כמה GHz על אלקטרודות שער ליתוגרפיות, במקום בהנעה תהודתית: פולס מזיז את הפוטנציאל האלקטרוסטטי, ועמו את צימוד החילוף בין נקודות או את צימוד המנהור של צומת מיורנה. ההיתר ישן ומדויק: DiVincenzo, Bacon, Kempe, Burkard ו-Whaley הראו ב-2000 שאינטראקציית הייזנברג לבדה מספיקה לחישוב אוניברסלי, במחיר של כ-3× יותר קיוביטים ו-~10× יותר פעולות דו-קיוביטיות S[416]. כל ארכיטקטורה בחילוף בלבד מאז משלמת את החשבון הזה כדי לסלק את חומרת המיקרוגל.

בקרה ומיקום: פולסי מתח בתדר נמוך הנוצרים בטמפרטורת החדר ומנותבים לאלקטרודות שער בטמפרטורת מיליקלווין.
מבנה השגיאה: קוהרנטי ומתואם, לא סטוכסטי — כיול שגוי הוא מה שהקוד רואה.

פיזיקה וגבולות

צימוד החילוף J תלוי באופן מעריכי בהיסט האנרגיה ובגובה המחסום, ולכן זווית סיבוב היא האינטגרל של J על פני הזמן, ושגיאת מתח קטנה היא שגיאת זווית גדולה באופן יחסי. אין בררנות לפי תדר ההנעה: רעש מטען 1/f מאפנן את אותו פוטנציאל הנושא את האות, והפרעה הדדית מאלקטרודת שער שכנה אינה ניתנת להבחנה מפולס מכוון. מכאן המספר השימושי ביותר בתחום — HRL מודדת ~80% משגיאת ה-CNOT שלה כחיצונית לקיוביט, בבקרה ובכיול ולא בקיוביט עצמו Dfact. הרצפה היא דיוק צורת הגל וקצב הכיול מחדש, לא T₂: התקנים ממפעל ייצור מגיעים לקוהרנטיות הד של 1.31(4) ms Dfact, לעומת שערי חילוף של 58 ns Dfact. הזזתה פירושה נתיב חשמלי קצר יותר — בקר בשלב הקר, ובמקרה האידאלי על אותה פיסה — ועוד כיול מחדש אוטומטי.

מצב ההנדסה העדכני

טבלה

שנה	נתון	מי	תג+מפתח
2025-07	בקרת דילוג ללא מיקרוגל, מערך 2×2 עם גרדיאנט של מיקרו-מגנט: חסם תחתון לנאמנות שער הדילוג 99.50(6)%, T₂ בהד עד ~49 µs	QuTech	Dfact
2026-07-29	18 קיוביטים בחילוף בלבד מ-54 נקודות, בתזמון של בקר ב-4 K: שגיאת שער חד-קיוביטי ממוצעת 2×10⁻⁴, CNOT ממוצע 3×10⁻³ (הטוב ביותר 9×10⁻⁴)	HRL	Dfact
2026-07-29	אותו התקן, קוד חזרה במרחק 5 לאורך 200 סבבים: שגיאה לוגית 5.0×10⁻³, Λ₅/₃ = 4.7 — היפוכי ביט בלבד	HRL	Dfact

האיבר השולט: בקרה וכיול חיצוניים לקיוביט, ~80% מתקציב ה-CNOT.

בקרה בפס בסיס יכולה לוותר על פולסי מחסום לכל זוג: במערך 6×6 של נקודות חורים בגרמניום, שער מחסום משותף אחד במתח קבוע, כשרק שערי הבוכנה (plunger) הנפרדים מקבלים פולסים, הספיק להנעת תהודת ספין דיפולית-חשמלית (EDSR), להסעה ולכוונון החילוף מכ-20 kHz עד כ-80 MHz P[898].

ייצור, חומרים ושרשרת האספקה

הטכנולוגיה רוכבת על CMOS רגיל: קו ה-EUV של Intel על 300 mm מדווח על יותר מ-24,000 התקנים לפרוסה D[199], עם 96% הצלחה בכוונון ב-232 התקנים בפרוסה אחת D[766], ו-Quantum Motion מאפיינת 1,024 נקודות בחמש דקות על 22FDX של GlobalFoundries C[200]. זה הנכס וזו החשיפה: כל מפתח נשען על מפעל ייצור יחיד שאינו בבעלותו — Quobly על STMicroelectronics, Quantum Motion על GlobalFoundries, Diraq על imec — ולכן החלטה בצד המפעל היא אופן כשל ברמת החברה. יצירת פולסים בטמפרטורת החדר אינה מפוקחת, אך בקר "שתוכנן לפעול" ב-≤4.5 K נופל תחת ECCN 3A901.a כבר מקובץ התכנון fact: השילוב בקור מייבא פיקוח על יצוא.

בקרה, קריאה ועומס הקלט-פלט

בקרה בפס בסיס עולה בערך קו אחד לכל אלקטרודת שער ושתיים עד ארבע אלקטרודות לכל נקודה, ולכן מערך נאיבי של 10³ קיוביטים דורש 10³–10⁴ קווים ממוענים מטמפרטורת החדר. הדוגמה הנגדית של HRL היא המספר שיש לזכור: 296 קווים ו-366 DAC ב-≤3.5 W המניעים 54 נקודות, עם מתזמן של 250 MHz על השבב וללא אלקטרוניקת זמן אמת בטמפרטורת החדר Dfact — ~20 DAC לקיוביט, ריבוב בקור ולא ביטול חוטים. ב-10³ רתמת הכבלים אינה מעשית בלי DAC קרים; ב-10⁴ מספר ה-DAC לקיוביט חייב לרדת בסדר גודל; ב-10⁶ לא קיים דבר. האילוץ המכריע הוא קצב הכיול מחדש.

תפקיד במחסנית

היא אינה דורשת דבר במעלה הזרם, מספקת את שער החילוף ישירות, ומגיעה לארבע ארכיטקטורות: ספינים בנקודות קוונטיות (Intel, Diraq, Quantum Motion, HRL/IBM, QuTech, Quobly, Equal1), ספיני תורמים (Silicon Quantum Computing), ספינים במרכזי צבע כצומתי רשת, והתקני מיורנה, שבהם מתחי השער מכווננים את הנקודות המדווחות על הזוגיות. היא מתחרה בתהודת ספין במיקרוגל ובתהודת ספין דיפולית-חשמלית, הקונות בררנות תדר במחיר של אנטנות וחימום. תרומתה לשעון זניחה: שערי החילוף פועלים ב-~58 ns Dfact לעומת קריאה של 6.3 µs, ולכן שעון נגזר = סכום סבב הסינדרום: שכבות שערים + הובלה + קריאה + איפוס ≈ 8.5 µs כאן, והוא נקבע בידי הקריאה, ואחריה האיפוס.

ראיות — כיצד נמדדו המספרים

הנאמנויות מגיעות מבחינת ביצועים אקראית ומטומוגרפיה של ערכת שערים, והמספר הבולט של QuTech הוא חסם תחתון, לא אומדן נקודתי Dfact. החלק החיצוני של 80% ראוי לבדיקה הקפדנית ביותר: הוא מוסק מהשגיאה הנמדדת מול תקציב רעש ממודל, לא חולק באופן בלתי תלוי, ולא שוחזר. שום התקן ספין מעל 12 קיוביטים לא פרסם נאמנויות דו-קיוביטיות לכל הזוגות, ולכן ההפרעה ההדדית בפעולה בו-זמנית — אופן הכשל של הטכנולוגיה עצמה — אינה מאופיינת בקנה מידה. ה-Λ₅/₃ = 4.7 של HRL הוא קוד חזרה, להיפוכי ביט בלבד, ואינו ראיה לפעולה מתחת לסף, ונאמנות ה-[[4,2,2]] שלו, 0.95, היא בבחירה בדיעבד Dfact. בצד של מיורנה הבקרה עובדת אך הקיוביט אינו קיים: קריאת הזוגיות ממשית, זמני החיים בלולאת X היו קצרים ~1,000× מאלה של לולאת Z, ואין פעולה דו-קיוביטית D[13].

לא פורסם: ספירה מתוארכת של משפחות פטנטים לבקרת מתחי שער בפס הבסיס.

שחקנים וכלכלה

מי.
| ארגון | תפקיד | מדינה | מה בדיוק הם עושים | ראיות |
|---|---|---|---|---|
| HRL Laboratories | מפתח | ארה״ב | ההדגמה היחידה של תיקון שגיאות בפס בסיס בתזמון עצמי; נרכשה בידי IBM | Dfact |
| Diraq | מפתח | אוסטרליה | קיוביטי חילוף ב-SiMOS על קו ה-300 mm של imec | Dfact |
| Quantum Motion | מפתח | בריטניה | מערכת CMOS שלמה של 300 mm ב-NQCC בבריטניה | Cfact |
| QuTech | מחקר | הולנד | בקרת דילוג ללא מיקרוגל, מערך דו-ממדי | Dfact |
| Microsoft | מפתח | ארה״ב | מדידת זוגיות בטטרונים המכווננים במתחי שער | D[13] |

כספים. 2025-11-06 · Diraq, Quantum Motion, Silicon Quantum Computing · שלב B של DARPA QBI · עד $15 M USD לכל אחת · תוכנית fact. 2026-05-07 · Quantum Motion · סבב C · $160 M USD · DCVC, Kembara · נסגר Cfact. 2026-05-21 · Diraq · מכתב כוונות של CHIPS · עד $38 M USD · US Commerce · לא מחייב fact. 2026-06-03 · Quobly · סבב A · €115 M · Bpifrance, SEALSQ, STMicro · €134 M במצטבר · נסגר Cfact. 2026-07-23 · IBM · רוכשת את HRL · לא נחשף · העסקה נסגרה ב-2026-08-26 Cfact fact.

שוק ושרשרת אספקה. שום דבר אינו נמכר כ"בקרה בפס בסיס"; מה שנמכר הוא כושר ייצור של מפעלי ייצור, ²⁸Si מועשר, ומסדי צורות הגל בטמפרטורת החדר ש-Quantum Machines שולטת בהם, כשיותר ממחצית המפתחים הם לקוחותיה Cfact. השילוב בקור מאיים על עסקי המסדים האלה, וזו הסיבה ש-IBM קנתה את HRL. הנתון של Diraq, פחות מ-$1 לקיוביט, הוא יעד, לא עלות. הטכנולוגיה משתלמת עבור G3 ו-G4 בארכיטקטורת הספין, ועבור G4 בארכיטקטורת מיורנה אם יופיע קיוביט.

קניין רוחני ותקנים. נכון ל-4 בספטמבר 2026 לא נמצאה במאגר נתונים מזוהה ומתוארך משפחת פטנטים הייחודית לבקרת מתחי שער בפס בסיס. טענת היסוד של החילוף בלבד היא פרסום מ-2000, שמזמן נמצא מחוץ לתקופת ההגנה הפטנטית S[416] — חלק מהסיבה לצפיפות בשכבה זו. עסקת HRL של IBM מכניסה הביתה קניין רוחני של בקרים שלא נחשף. אף גוף תקינה אינו מסדיר כיום ממשקי פולסי שער.

מפות דרכים ועמידה בהבטחות. Diraq (2026-08-27 · 150 k פיזיים, 1 k לוגיים עד 2029, > 2 M עד 2031 · ההודעה שלה מ-2026-07-09 אמרה "אלפים עד 2029") — דלה במסרים, ממשית בהתקנים fact. Quantum Motion (אספקת מערכת שלמה · עמדה ביעד, NQCC 2025-09-15) — תאריך החומרה היחיד כאן שעמדו בו. HRL/IBM (אין תאריך פומבי · QPU סופק 2026-07-29) — התוצאה החזקה ביותר כאן. Microsoft ("שנים, לא עשורים" → 2029 · אין פעולה דו-קיוביטית) — אין בסיס.

פרשנות אסטרטגית. אם הבקרה בפס בסיס תגדל, פלטפורמות המבוססות מלכתחילה על מפעלי ייצור יירשו בחינם עשרות שנים של השקעה ב-CMOS, בעוד שפלטפורמות בעלות בקרה אקזוטית יממנו את החומרה שלהן לעולם — הטיעון ש-IBM הציגה ברכישת HRL. המפסידים הם ספקי מסדי הבקרה בטמפרטורת החדר, הנדחקים בידי בקרה העוברת אל תוך הקריוסטט, ולא מובסים במחיר. שאלת התחליף החיה היא מיקום בטמפרטורת החדר לעומת מיקום בקור, לא פס בסיס לעומת הנעת מיקרוגל. כוח המיקוח נמצא בידי מפעלי הייצור: כל מפתח שלעיל תלוי בקשר שאינו יכול להחליף בתוך מחזור מוצר אחד.

תחזית ושאלות פתוחות

לאשר עד 2027 אם מפתח כלשהו יפרסם נאמנויות דו-קיוביטיות לכל הזוגות מעל 12 קיוביטים, או אם קבוצה בלתי תלויה תשחזר את החלוקה בין השגיאה החיצונית לפנימית; להוריד בדרגה אם ההפרעה ההדדית תגביל את המערכים ל-≤20 קיוביטים עד סוף 2028. התרחיש הטוב ביותר ל-2029: בקרה קרה בתזמון עצמי הופכת לברירת המחדל, ושגיאות השער הדו-קיוביטי עוברות מ-3×10⁻³ לכיוון 10⁻⁴. התרחיש הגרוע ביותר: תקורת הכיול גדלה מהר יותר ממספר הקיוביטים, וטיעון ה-CMOS נתקע בקנה מידה של הדגמה. שאלות פתוחות: האם נתון ה-80% ישרוד מדידה בלתי תלויה; האם מספר ה-DAC לקיוביט יכול לרדת בסדר גודל; האם הכיול מחדש יעמוד בקצב גודל המערך; האם בקרת מיורנה תזכה אי פעם בקיוביט.

מקורות

[13] Microsoft Azure Quantum, “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices,” Nature, vol. 638, no. 8051, pp. 651–655, Feb. 2025, doi: 10.1038/s41586-024-08445-2. [D]
[199] H. C. George et al., “12-spin-qubit arrays fabricated on a 300 mm semiconductor manufacturing line,” Nano Lett., vol. 25, no. 2, pp. 793–799, Dec. 2024, doi: 10.1021/acs.nanolett.4c05205. arXiv:2410.16583. [D]
[200] Quantum Motion, “Quantum Motion Delivers the Industry's First Full-Stack Silicon CMOS Quantum Computer,” Sep. 15, 2025. [Online]. Available: https://quantummotion.com/quantum-motion-delivers-the-industrys-first-full-stack-silicon-cmos-quantum-computer/ [C]
[416] D. P. DiVincenzo, D. Bacon, J. Kempe, G. Burkard, and K. B. Whaley, “Universal quantum computation with the exchange interaction,” Nature, vol. 408, no. 6810, pp. 339–342, 2000, doi: 10.1038/35042541. arXiv:quant-ph/0005116. [S]
[766] S. F. Neyens et al., “Probing single electrons across 300-mm spin qubit wafers,” Nature, vol. 629, no. 8010, pp. 80–85, May 2024, doi: 10.1038/s41586-024-07275-6. [D]
[898] A. S. Ivlev et al., “Sparse qubit operation in a 6×6 quantum dot array,” arXiv:2610.07683, Oct. 2026. [P]