→ Quantum Technology Atlasטכנולוגיות · מכונות · ארכיטקטורות · ארגוניםEnglishРусский

קידוד ספין בחילוף בלבד / סינגלט-טריפלט enc_eo

קיוביט לוגי אחד בתת-המרחב של הספין הכולל של שלושה ספינים המצומדים בחילוף (קידוד בחילוף בלבד) או של שני ספינים ועוד גרדיאנט שדה (קידוד סינגלט–טריפלט), המונע כולו בפולסי מתח בפס בסיס, כשהדליפה היא המחיר של סילוק בקרת המיקרוגל.

קידוד ספין בחילוף בלבד / סינגלט-טריפלט

enc_eo · שכבה 2 קידוד · הודגם · מאז 2013
פתח במפה

קיוביטי ספין מקודדים הנשלטים אך ורק בפולסי חילוף בפס בסיס; דליפה 0.015%/קליפורד (AEON).

תקציר ←

מקורות מרכזיים

[416] D. P. DiVincenzo, D. Bacon, J. Kempe, G. Burkard, and K. B. Whaley, “Universal quantum com… · 2000
[417] J. D. Broz, J. C. Hoke, E. Acuna, and J. R. Petta, “Demonstration of an always-on exchange… · 2026
[190] Members of the HRL Quantum Team and Collaborators, “A digitally controlled silicon quantum… · 2026
[900] HRL Quantum Team and Microsoft collaborators, “Benchmarking exchange-only control of a 48-… · 2026

מרחב התכן — תכונות

(a) זיקת הנושא
מיוצר
(b) זמן · שזירה
—
(c) קריאה
—
(d) ניידות
—
(e) בקרה
—
(f) מבנה השגיאה
דליפה, קוהרנטית / כיול
(g) ייצור
—

מרחב ההערכה — תכונות מתוארכות

EO 1Q error (18 qubits) → 2×10⁻⁴ mean
מגדירה: ערוץ השגיאה · 2026-07 · מקור

HRL → IBM.

שחקנים ויעדים — ביאורים

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

קשתות

דורשת: ספין בנקודה קוונטית המוגדרת באלקטרודות שער (Si/SiGe, SiMOS, Ge), שער חילוף (ספינים; כולל CZ בספינים מוסעים)
חלופות: קידוד בספין יחיד (לוס–דיווינצ'נזו) / בספין גרעיני
° אחת מכמה שהיו מתאימות · הדרך המקובלת, לא דרישה מחייבת

בשימוש: 1 מכונה (1 ראשית · 0 חלופית)

↗ 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. 1 — Fig. 1: Device and energy spectroscopy.a, Schematic drawing showing the Ge/SiGe heterostructure and three layers of gate electrodes on top to define…
A nine-panel figure of a germanium device with eight quantum dots forming four singlet–triplet qubits. Panel (a) is a 3D drawing of the Ge/SiGe layer stack under three layers of gate electrodes; (b) pairs a sketch of the 2 × 4 dot ladder with a false-coloured electron micrograph labelling dots, gates and four charge sensors; (c)–(e) are energy diagrams of the singlet and triplet states versus detuning, marking the Zeeman difference and the exchange J; (f)–(i) are measured triplet-probability maps for each pair. From Nature Nanotechnology (2025) by Xin Zhang, Lieven M. K. Vandersypen and co-authors. It shows qubits encoded in two spins and controlled by exchange. “Fig. 1 — Fig. 1: Device and energy spectroscopy.a, Schematic drawing showing the Ge/SiGe heterostructure and three layers of gate electrodes on top to define the…” by Zhang et al., www.nature.com/articles/s41565-024-01817-9, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Fig. 2 — Figure 2: Qubit idle coherence times. Average idle coherence time for several gapless exchange qubits (see main text for the definitions of the acro…
A plotted simulation comparing how long three kinds of exchange-only spin qubits keep their coherence as random magnetic disorder grows. It is Figure 2(a) of arXiv paper 2501.18589 by Foulk, Hoffman, Laubscher and Das Sarma. It matters for exchange-only spin encoding: the new always-on 'SAGE' qubit (blue) stays flat near 4 microseconds while the conventional exchange-only qubit (green) degrades steadily. It is data, not a picture of hardware. “Fig. 2 — Figure 2: Qubit idle coherence times. Average idle coherence time for several gapless exchange qubits (see main text for the definitions of the acronyms). For…” by Nathan L. Foulk, Silas Hoffman, Katharina Laubscher, Sankar Das Sarma, arxiv.org/abs/2501.18589, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Fig. 1 — Figure 1: Device layout, charge stability, energy diagrams and states relevant for the singlet–triplet qubit, and characterization of singlet–triple…
A seven-panel figure: a false-coloured electron micrograph of a gate-defined silicon quantum-dot device (200 nm scale bar), a charge-stability map, energy and pulse diagrams, a Bloch sphere, oscillation data and a T2* histogram. It is Fig. 1 of "Long coherence silicon spin qubit fabricated in a 300 mm industrial foundry" by Petar Tomić, Patrick Bütler and colleagues. The qubit is a singlet-triplet pair of electron spins in neighbouring dots, rotated by their Zeeman energy difference; the long-lived oscillations indicate good coherence from an industrial process. “Fig. 1 — Figure 1: Device layout, charge stability, energy diagrams and states relevant for the singlet–triplet qubit, and characterization of singlet–triplet…” by Petar Tomić et al., arxiv.org/abs/2512.20758v1, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
enc_eo · layer 2 קידוד · centrality 4.2 · demonstrated · since 2013 · updated 2026-09-04

קידוד ספין בחילוף בלבד / סינגלט-טריפלט

קיוביט לוגי אחד בתת-המרחב של הספין הכולל של שלושה ספינים המצומדים בחילוף (קידוד בחילוף בלבד) או של שני ספינים ועוד גרדיאנט שדה (קידוד סינגלט–טריפלט), המונע כולו בפולסי מתח בפס בסיס, כשהדליפה היא המחיר של סילוק בקרת המיקרוגל.

Verdict. קידוד הספין היחיד שהריץ תיקון שגיאות ללא אלקטרוניקת זמן אמת בטמפרטורת החדר; מחירו שלוש נקודות לכל קיוביט וערוץ דליפה, ותוצאת הקוד הבולטת שלו מתקנת היפוכי ביט בלבד.

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

שניים או שלושה ספינים בנקודות סמוכות מקודדים קיוביט אחד בתת-מרחב של ספין כולל קבוע, וכל שער הוא פולס של חילוף הייזנברג — מתח בפס בסיס, לעולם לא צליל מיקרוגל. הבסיס הוא DiVincenzo, Bacon, Kempe, Burkard ו-Whaley, Nature 408, 339 (2000): החילוף לבדו מממש כל מעגל, ולכן ההנעה המקומית של קיוביט יחיד נעלמת S[416]. הדגמות של שלוש נקודות בקנה מידה גדל והולך מתוארכות לסביבות 2013. תכונות: זיקה — מרוכב לחלוטין, הקוטב הנגדי לספין החשוף; שגיאה — דליפה ועוד שגיאת חילוף קוהרנטית; אין לו אופן בקרה או ייצור משלו.

פיזיקה וגבולות

שלושה ספינים פורשים שמונה מצבים והקיוביט משתמש בשניים, ולכן האכלוס דולף אל מכלול הספין 3/2, בלתי נראה למפענח הפועל במסגרת פאולי, אלא אם כן הומר לשגיאה הניתנת לגילוי. זו הרצפה הייחודית לקידוד: 0.015% לכל קליפורד בפעולה של שני חילופים הפועלים תמיד, לעומת ממוצע של 0.029% בחילוף יחיד D[417]. בתמורה הוא תת-מרחב חסין דה-קוהרנטיות מפני רעש שדה אחיד, אך החילוף תלוי מעריכית במתח המחסום, ולכן רעש המטען חודר לשער. אף איבר אינו שולט: HRL מייחסת כ-80% משגיאת ה-CNOT שלה לבקרה ולכיול חיצוניים D[190]. פעולה בנקודת האופטימום, פולסים הפועלים תמיד (1.9 לעומת 2.7 פולסים לכל קליפורד D[417]) וכיול קר מזיזים אותה.

מצב ההנדסה העדכני

טבלה
שנה נתון מי תג+מפתח
2026-04-03 99.86% לכל קליפורד (בחינת ביצועים אקראית עיוורת), דליפה 0.015%/קליפורד, חילופים הפועלים תמיד UCLA D[417]
2026-07-29 18 קיוביטים מ-54 נקודות; 1Q 2×10⁻⁴, CNOT 3×10⁻³; קוד חזרה במרחק 5, Λ₅/₃ = 4.7 לאורך 200 סבבים HRL D[190]

האיבר השולט: בקרה וכיול חיצוניים, ואחריהם דליפה; ה-CNOT הטוב ביותר שניתן לשחזור: 9×10⁻⁴ D[190].

כשבוחנים את ביצועיהם כמערכת אחת ולא כקיוביטים מקודדים, 48 ספינים של התקן 54 הנקודות של HRL פורשים את כל מרחב הספין הכולל אפס, שממדו C₂₄ ≈ 2⁴⁰ (מספר קטלן), והוא כולל את המצבים שקידוד בן שלושה ספינים מתייחס אליהם כדליפה; בחינת ביצועים אקראית מסוג מראה נותנת שגיאה של 3.2×10⁻⁴ לכל פולס חילוף (2.2×10⁻⁴ על פני ההתקן כולו בבחינת ביצועים באנטרופיה צולבת), כשבקר ה-CMOS הקריוגני של 4 K בלולאה P[900]. זו שגיאה לכל פולס חילוף, לא שגיאת שער דו-קיוביטי: ב-37 חילופים לכל CNOT מקודד, האומדן החיבורי הוא כ-1%. במרחב אין קיוביטים מקומיים, ועדיין אין שיטה המהדרת בו תוכניות או מריצה בו תיקון שגיאות P[900].

ה-0.2 W לקיוביט נגזר מהספק הבקר וממספר הקיוביטים ש-HRL פרסמה; המאמר אינו מציין נתון קנה-מידה. הייחוס של ~80% מהשגיאות לגורמים חיצוניים הוא דיווח עצמי של HRL, ולא לתוצאת UCLA ולא לתוצאת HRL יש שחזור בלתי תלוי. לא פורסם: נאמנויות דו-קיוביטיות לכל הזוגות בהתקן כלשהו מסוג חילוף-בלבד.

ייצור, חומרים ושרשרת האספקה

שלוש נקודות לכל קיוביט — שתיים בסינגלט–טריפלט — משלשות את צפיפות אלקטרודות השער לכל יחידה לוגית בתהליך המארח של 300 mm, ללא שלב ייחודי לקידוד. הרווח הוא בבקרה: פס בסיס טהור, ללא קווי מיקרוגל או מיקרו-מגנטים, והמתזמן בתוך בקר של 4 K ב-RF CMOS מסחרי של 130 nm — 366 DAC, 296 קווים, ≤3.5 W, ללא אלקטרוניקת זמן אמת בטמפרטורת החדר D[190] — הסימן הראשון לכך שמסד בקרה יכול להפוך ל-ASIC קר. זה מה שקובע את הקיר: ≤3.5 W ל-18 קיוביטים הם ≈0.2 W לקיוביט, ולכן 10³ קיוביטים דורשים מאות ואטים ב-4 K, סדר גודל אחד עד שניים מעבר לשלב סטנדרטי של מקרר צינור פולס S[190]. ההספק לכל קיוביט, ולא מספר הקווים, הוא בעיית ההגדלה.

תפקיד במחסנית

דורש נושא של נקודה קוונטית המוגדרת באלקטרודות שער, שלוש נקודות לכל קיוביט, בארכיטקטורת הספינים בנקודות קוונטיות בצורן / גרמניום; מחליף את קידוד הספין היחיד — ההתפצלות המרכזית. פולסי החילוף אורכים ננו-שניות, אך קליפורד עולה כשניים מהם, ולכן הקידוד מכפיל את מספר השערים, לא את זמן השער; הקריאה עדיין קובעת את השעון הנגזר = סכום סבב הסינדרום: שכבות שערים + הובלה + קריאה + איפוס, ב-8.5×10⁻⁶ s, ומתוכם 6.3 µs קריאה. אימות: Λ₅/₃ = 4.7 והשגיאה הלוגית של 5.0×10⁻³ מגיעים מקוד חזרה במרחק 5, המתקן היפוכי ביט בלבד, ולא מפעולה מתחת לסף של קוד מלא; נאמנות ה-[[4,2,2]] של 0.95 נמדדה בבחירה בדיעבד D[190]. ה-99.86% של UCLA הוא בחינת ביצועים עיוורת של קיוביט יחיד, לא על פני ההתקן כולו D[417]; אף אחת מהתוצאות לא שוחזרה.

שחקנים וכלכלה

מי.
| ארגון | תפקיד | מדינה | מה הם עושים | ראיות |
|---|---|---|---|---|
| HRL Laboratories | מפתח | ארה״ב | 18 קיוביטים בחילוף בלבד, בקר של 4 K | D[190] |
| IBM | מפתח | ארה״ב | רכשה את HRL; אין אבן דרך של ספינים במפת הדרכים שלה | Cfact |
| UCLA | מחקר | ארה״ב | קיוביט של שני חילופים הפועלים תמיד | D[417] |
| Quantum Machines | ספק | ישראל | הספק הנקוב של מערכת הבקרה ל-HRL | Cfact |

כספים. 2026-06-02 · IBM · התחייבות לתוכנית הקוונטית · >$10 B על פני חמש שנים · הוכרז Cfact. 2026-08-26 · IBM · רכישת HRL הושלמה · לא נמסר · נסגרה Cfact.

שוק ושרשרת אספקה. אין שרשרת אספקה ייחודית לקידוד; הנכס המבדל הוא הבקר הקריוגני של HRL, כיום רכוש IBM. סילוק יצירת המיקרוגל מקטין את חלקם של ספקי המסדים בחשבון — קידוד הספין היחיד המאיים על הדואופול של הבקרה. היעד המשלם: G3.

קניין רוחני ותקנים. תוצאת האוניברסליות של החילוף מ-2000 היא ידע קודם שתקופת הפטנט שלה חלפה S[416]; רכישת HRL בידי IBM היא האיחוד הברור ביותר של קניין רוחני, בתנאים שלא נמסרו Cfact. נכון ל-4 בספטמבר 2026 אין במאגר נקוב משפחת פטנטים מתוארכת לקידוד.

מפות דרכים ועמידה בהבטחות. IBM ו-HRL (2026-08-26 · הרכישה הושלמה · אין אבן דרך מתוארכת של מספר קיוביטים, ואין רשומה של ספינים ב-Starling 2029 או ב-Blue Jay) Cfact. המאמר מיולי 2026 הוא הדגמה פיזיקלית, לא הבטחה להגדלה.

פרשנות אסטרטגית. אם הדליפה תחזיק סביב 10⁻⁴ לכל קליפורד בקנה מידה, שלוש נקודות לכל קיוביט פוטרות מן הצורך במערכת המשנה של המיקרוגל ובמסד — ניצחון ברמת המערכת ל-IBM ולכל מפעל ייצור המדפיס מערכים צפופים. אם קידוד הספין היחיד יסגור את פער הכיול, התקורה היא עלות שטח טהורה, וספקי המסדים ישמרו על מעמדם.

תחזית ושאלות פתוחות

לאשר או להוריד בדרגה בתוך 12–24 חודשים: מעבדה שנייה המשחזרת את תוצאת 18 הקיוביטים; קוד מלא מתחת לסף; אבן דרך מתוארכת של IBM. התרחיש הטוב ביותר ל-2029: IBM משלבת את המתזמן הקר בהתקן בקנה מידה של מפעל ייצור עם ביצועים בלתי מותנים. התרחיש הגרוע ביותר: תוצאה של מעבדה אחת. פתוח: (1) האם הספק הבקר לכל קיוביט ירד בשני סדרי גודל; (2) האם הדליפה תישאר קבועה ככל שהמערכים גדלים; (3) האם פולסים הפועלים תמיד יהפכו לסטנדרט.

מקורות
  1. [190] Members of the HRL Quantum Team and Collaborators, “A digitally controlled silicon quantum processing unit,” arXiv:2604.16216, Apr. 2026. [D]
  2. [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]
  3. [417] J. D. Broz, J. C. Hoke, E. Acuna, and J. R. Petta, “Demonstration of an always-on exchange-only spin qubit,” Nat. Commun., vol. 17, no. 1, Art. no. 4794, Apr. 2026, doi: 10.1038/s41467-026-70943-w. [D]
  4. [900] HRL Quantum Team and Microsoft collaborators, “Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold,” arXiv:2610.07393, Oct. 2026. [P]