קידוד בספין יחיד (לוס–דיווינצ'נזו) / בספין גרעיני

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

קידוד בספין יחיד (לוס–דיווינצ'נזו) / בספין גרעיני enc_spin_ld

קיוביט אחד לכל ספין-1/2 — אלקטרון, חור או גרעין כלואים — ללא תת-מרחב מקודד, ומכאן טביעת הרגל הקטנה ביותר והיעדר ערוץ דליפה.

enc_spin_ld · שכבה 2 קידוד · הודגם · מאז 1998

פתח במפה

ספין-1/2 חשוף של אלקטרון, חור או גרעין; דורש מיקרוגל/EDSR ל-1Q.

תקציר ←

מקורות מרכזיים

[819] D. Loss and D. P. DiVincenzo, “Quantum computation with quantum dots,” Phys. Rev. A, vol. … · 1998

[820] F. K. Unseld et al., “Baseband control of single-electron silicon spin qubits in two dimen… · 2025

[189] P. Steinacker et al., “Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fid… · 2025

[192] H. Edlbauer et al., “An 11-qubit atom processor in silicon,” Nature, vol. 648, no. 8094, p… · 2025

מרחב התכן — תכונות

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

מרחב ההערכה — תכונות מתוארכות

אין תכונות מתוארכות

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

קשתות

דורשת: ספין בנקודה קוונטית המוגדרת באלקטרודות שער (Si/SiGe, SiMOS, Ge)°, ספין של אטום תורם (P ב-²⁸Si)°, ספין במרכז צבע / ספין פגם (NV, SiV, SnV, מרכז T)°

חלופות: קידוד ספין בחילוף בלבד / סינגלט-טריפלט

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

בשימוש: 14 מכונות (14 ראשית · 0 חלופית)

ספינים במוליכים למחצה 9
Diraq 8-qubit silicon spin quantum computer at Equinix Sydney Diraq (with Equinix) ◌ 🔎
foundry 8-qubit array Diraq מאמר עיתונות ▣ Fig. 1d (Rabi chevrons, qubits 1-8); Fig. 2a (Larmor frequencies) ✅
RacQ (Bell-1) Equal1 דף מוצר בלוג בלוג ▦ UnityQ page (qubit state 'electron spin ↑ / ↓') ✅
Groove Quantum 18-qubit germanium spin processor Groove Quantum עיתונות ◌ 🔎
Hitachi x Intel 18A spin programme Hitachi + Intel K.K. + AIST (G-QuAT) עיתונות עיתונות ◌ 🔎
Tunnel Falls Intel מאמר עיתונות עיתונות ◌ 🔎
QM-One Quantum Motion ▤ §II Spin-dependent tunneling (single-electron spin up/down in a QD) ✅
Alloy Pioneer (Quobly) Quobly עיתונות ◌ 🔎
11-qubit donor processor Silicon Quantum Computing מאמר עיתונות ▣ Fig. 1 (single-qubit characteristics of the 11-qubit atom processor) ✅
ספיני פגם 5
Diamond-spin quantum computer prototype Fujitsu (with TU Delft and QuTech) עיתונות ◌ 🔎
Entanglement First modules Photonic Inc. מאמר דף מוצר דף מוצר ▣ Fig. 3A (electron/hole/H spin fine structure); Fig. 4 (electron + nuclear spin transitions) ✅
Quoll / QB-QDK 2.0 Quantum Brilliance עיתונות ◌ 🔎
QC2026 Dual Core SaxonQ עיתונות ◌ 🔎
SXQ4 SaxonQ דף מוצר ◌ 🔎

↗ 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 — Figure 1: Atomic-force microscopy images of the two germanium 2×4 quantum dot devices used in this work. Spins are schematically depicted to highlig… — (a, b) Greyscale atomic-force-microscope images of two germanium quantum-dot devices, each a 2×4 grid of dots (200 nm bars), with spins drawn on top: in (a) one spin per dot, 1–8; in (b) dot pairs Q1–Q4 as two-spin (singlet-triplet) qubits. (c) A digital-analog sequence: ramped preparation, microwave drive, SWAP gates, analog evolution of a four-spin plaquette, pairwise measurement; (d–g) double-well cartoons of initialization, readout, drive and a two-spin gate. It is Figure 1 of arXiv 2506.08663, 'Site-resolved magnon and triplon dynamics on a programmable quantum dot spin ladder' (Pablo Cova Fariña, Daniel Jirovec, Menno Veldhorst and co-authors). It shows spin qubits run as a programmable analog simulator. “Fig. 1 — Figure 1: Atomic-force microscopy images of the two germanium 2×4 quantum dot devices used in this work. Spins are schematically depicted to highlight…” by Pablo Cova Fariña et al., arxiv.org/abs/2506.08663, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 2 — Figure 2: Protocol of quantum processing. (a) Circuit for the control protocol includes qubit initialization, operation, and readout. Detailed seque… — Circuit drawings and a plot for two donor clusters in silicon, each with an electron and nuclear spins. (a) Protocol of initialisation, operation and repeated readout; (b) with exchange off, a 2π electron rotation conditioned on its own cluster's nuclear spins; (c) with exchange on, conditioned on spins in both clusters; (d) shift of the electron's spin-resonance frequency versus exchange coupling J from 0 to 200 MHz per nuclear-spin configuration. From 'Scalable Spin Qubit Architecture with Donor-Cluster Arrays in Silicon' (arXiv 2509.24749) by Shihang Zhang et al. Nuclear spins are controlled and read through the electron; exchange makes its resonance depend on both clusters, the basis for a two-cluster gate. “Fig. 2 — Figure 2: Protocol of quantum processing. (a) Circuit for the control protocol includes qubit initialization, operation, and readout. Detailed sequences for…” by Shihang Zhang et al., arxiv.org/abs/2509.24749, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 2 — Figure S1: Nuclear spin flip probabilities during the readout and resonant tunneling pulses. a) Electron tunneling in a 1P1e qubit during the readou… — A six-panel theory figure: energy-level diagrams of a phosphorus donor's combined nuclear and electron spin states, and computed plots of nuclear-spin flip probability over 1 ms. It is Figure S1 of the arXiv paper "Impact of measurement backaction on nuclear spin qubits in silicon" by S. Monir and co-authors, including M.Y. Simmons and R. Rahman. It illustrates spin-to-charge readout of a donor, where the electron tunnels to a single-electron transistor: notice that the flip probabilities during readout and resonant-tunnelling pulses stay tiny, around 10^-6 to 10^-5. “Fig. 2 — Figure S1: Nuclear spin flip probabilities during the readout and resonant tunneling pulses. a) Electron tunneling in a 1P1e qubit during the readout pulse.…” by S. Monir et al., arxiv.org/abs/2310.12656, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

enc_spin_ld · layer 2 קידוד · centrality 5.5 · demonstrated · since 1998 · updated 2026-09-30

קידוד בספין יחיד (לוס–דיווינצ'נזו) / בספין גרעיני

קיוביט אחד לכל ספין-1/2 — אלקטרון, חור או גרעין כלואים — ללא תת-מרחב מקודד, ומכאן טביעת הרגל הקטנה ביותר והיעדר ערוץ דליפה.

Verdict. קידוד ברירת המחדל בכל פלטפורמה של צורן, גרמניום, תורמים ופגמים; הוא קונה שטח מינימלי ומודל שגיאה פאולי נקי במחיר של הנעה תהודתית לכל קיוביט.

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

ספין-1/2 פיזי אחד הוא קיוביט אחד: אלקטרון או חור בנקודה המוגדרת באלקטרודות שער, או גרעין הקשור לאטום תורם או לפגם. Loss ו-DiVincenzo ניסחו זאת ב-1998 — ספיני אלקטרונים הכלואים בנקודות, סיבובים בשדה תהודתי מקומי, שערים דו-קיוביטיים בחילוף בפולסים D[819]. הגרסה הגרעינית מניעה גרעין ³¹P או גרעין של פגם בתדר רדיו דרך צימוד על-דק לאלקטרון, ומחליפה מהירות בקוהרנטיות: הגרעינים כנתונים, האלקטרונים כקיוביטי עזר. תכונות: זיקה — נושא כמעט טבעי ללא מבנה מורכב; שגיאה — דה-פאזה קוהרנטית ועוד שגיאת פאולי, ללא תת-מרחב דליפה, ללא אופן בקרה או ייצור משלו.

פיזיקה וגבולות

המרחב החישובי הוא המערכת הדו-רמתית כולה: דבר אינו דולף החוצה, ולכן כל שגיאה היא פאולי או קוהרנטית, כפי שהקודים מניחים — וגם דבר אינו מסונן החוצה. את T2* קובעים הצימוד העל-דק השיורי ל-²⁹Si ורעש המטען, ההופך להזזת תדר דרך מקדם g או דרך מיקרו-מגנט; טיהור ²⁸Si מסלק את האיבר הראשון. הקוהרנטיות אינה המגבלה כיום: המערך נטול המיקרוגל של QuTech מדווח על חסם תחתון של ≥99.50(6)% לשער הדילוג שלו D[820], ושערים דו-קיוביטיים ממפעל ייצור עומדים על 99.04–99.56% D[189] — קיפאון שמקורו בכיול, לא מגבלת T2. טיהור עמוק יותר, בקרה בפס בסיס וכיול בקור מזיזים את הרצפה.

מצב ההנדסה העדכני

טבלה

שנה	נתון	מי	תג+מפתח
2025-07-01	≥99.50(6)% לשער דילוג (חסם תחתון), ללא מיקרוגל, מערך 2×2	QuTech/TU Delft	D[820]
2025-09-24	99.04–99.56% דו-קיוביטי על SiMOS ממפעל ייצור של 300 mm	Diraq	D[189]
2025-12-17	אוגר תורמים בן 11 קיוביטים, 9 גרעיניים ועוד 2 אלקטרוניים, 99.10–99.99%	Silicon Quantum Computing	D[192]

האיבר השולט: סחיפת כיול לאורך המערך; אף התקן של יותר מ-12 קיוביטים אינו מפרסם נאמנויות לכל הזוגות.

נאמנות ה-CZ של 99.90% על ספיני הגרעין של התורמים אינה ניתנת לבידוד בתמצית של SQC, שהטווח שפורסם בה הוא 99.10–99.99%. ההצהרה של Intel על "הגדלה למאות נקודות" אינה נושאת תאריך או אבן דרך.

ייצור, חומרים ושרשרת האספקה

הקידוד אינו מוסיף מבנה — נקודה אחת או אטום תורם אחד לכל קיוביט, כשליש מהנקודות שקיוביט בחילוף בלבד צריך — והוא יורש את תהליך הנושא: קו ה-EUV של Intel על 300 mm, עם >24,000 התקנים לפרוסה D[199] ו-96% הצלחה בכוונון ב-232 התקנים בפרוסה אחת D[766], ועוד 22FDX, FD-SOI ו-imec על 300 mm. העומס שהוא מטיל הוא בקרה: הנעה תהודתית אחת לכל תדר קיוביט, ולכן ב-10³ קיוביטים הקיר הוא צפיפות התדרים והספק המיקרוגל בטמפרטורת מיליקלווין, וב-10⁴–10⁶ — מספר התדרים שאפשר למען.

תפקיד במחסנית

קידוד הבסיס לארכיטקטורת הספינים בנקודות קוונטיות בצורן / גרמניום, לארכיטקטורת התורמים ולצומתי רשת של ספיני פגם. בחלק מהתכנונים הוא מוחלף בקידוד חילוף-בלבד — הפיצול המרכזי: חומרת מיקרוגל תמורת טביעת רגל מינימלית והיעדר דליפה, מול נקודות נוספות תמורת בקרה בפס בסיס בלבד וערוץ דליפה. הוא אינו מוסיף דבר לשעון הנגזר = סכום סבב הסינדרום: שכבות שערים + הובלה + קריאה + איפוס, שבצורן נשאר נשלט-קריאה, 8.5×10⁻⁶ s. אימות: ה-99.50(6)% הוא חסם תחתון, והד האן הנלווה של ~49 µs הוא ערך מרבי, ושניהם מצוטטים שוב ושוב כאומדנים נקודתיים D[820]; ה"CZ גרעיני בתורמים של 99.90%" שבדוח הראשי סותר את הטווח שפרסמה SQC D[192]; ושגיאת החד-קיוביט של 2×10⁻⁴ של HRL שייכת לקידוד החילוף-בלבד, לא לקידוד הזה D[190].

שחקנים וכלכלה

מי.
| ארגון | תפקיד | מדינה | מה הם עושים | ראיות |
|---|---|---|---|---|
| Intel | מפתח | ארה״ב | התקני ספין יחיד ב-EUV על 300 mm | D[199] |
| Diraq | מפתח | אוסטרליה | ספיני אלקטרונים על SiMOS של imec על 300 mm | D[189] |
| QuTech/TU Delft | מחקר | הולנד | בקרה בפס בסיס ללא מיקרוגל | D[820] |
| Silicon Quantum Computing | מפתח | אוסטרליה | קידוד בספין גרעיני על תורמים | D[192] |
| Quobly | מפתח | צרפת | ספינים בודדים על FD-SOI של STMicroelectronics | Cfact |

כספים. 2026-06-03 · Quobly · סבב A · €115 M · Bpifrance, SEALSQ, STMicroelectronics · €134 M במצטבר · נסגר Cfact. 2026-06 · SQC · NRFC · A$60 M · National Reconstruction Fund של אוסטרליה · נסגר fact.

שוק ושרשרת אספקה. אין ספק ייחודי לקידוד הזה — זו בחירה של פריסה ושל רצף פולסים על קווי CMOS משותפים — והדרישה הייחודית היחידה שלו, הנעה תהודתית לכל קיוביט, היא מה שמוכר הדואופול של אלקטרוניקת הבקרה. משלמים עליו ב-G2, ב-G3 וב-G6.

קניין רוחני ותקנים. ההצעה מ-1998 היא ידע קודם שתקופת ההגנה הפטנטית עליה חלפה מזמן D[819]; נכון ל-4 בספטמבר 2026 לא נמצאה במאגר נתונים מזוהה משפחת פטנטים מתוארכת לקידוד בספין יחיד.

מפות דרכים ועמידה בהבטחות. Intel (2026-01-06 · 12 קיוביטים ב-Argonne, "הגדלה למאות נקודות" · אין שבב ממשיך, אין מפת דרכים מתוארכת) fact. Diraq (2026-08-27 · 150 k פיזיים, 1 k לוגיים עד 2029 · ההודעה שלה מ-2026-07-09 אמרה "אלפים עד 2029") Rfact. שתיהן רחוקות בסדרי גודל מכל התקן שהודגם.

פרשנות אסטרטגית. כל צוות ספינים יכול לחזור אליו כברירת גיבוי, ולכן הוא אינו מבדל איש: הערך מצטבר אצל מפעל הייצור ואצל מערך הבקרה. אם הבקרה בפס בסיס תבשיל, ספקי המיקרוגל יאבדו את הטיעון החזק ביותר שלהם; אם הקיוביטים המקודדים ינצחו, השטח ישקול פחות מכלכלת הפרוסות.

תחזית ושאלות פתוחות

לאשר או להוריד בדרגה בתוך 12–24 חודשים: נאמנויות לכל הזוגות מעל 12 קיוביטים; בקרה בפס בסיס מעבר למערך 2×2. התרחיש הטוב ביותר ל-2029: פס בסיס ועוד פעולה ב-1 K מסלקים את רוב הקלט-פלט של המיקרוגל בנאמנות דו-קיוביטית של >99.5%. התרחיש הגרוע ביותר: הקיפאון נמשך. פתוח: (1) האם בקרת שער הדילוג גדלה מעבר לארבעה קיוביטים; (2) האם האבחנה של מגבלת הכיול תקפה באופן כללי; (3) איזו פלטפורמה תראה קיוביט לוגי מתחת לסף.

מקורות

[189] P. Steinacker et al., “Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity,” Nature, vol. 646, no. 8083, pp. 81–87, Sep. 2025, doi: 10.1038/s41586-025-09531-9. [D]
[190] Members of the HRL Quantum Team and Collaborators, “A digitally controlled silicon quantum processing unit,” arXiv:2604.16216, Apr. 2026. [D]
[192] H. Edlbauer et al., “An 11-qubit atom processor in silicon,” Nature, vol. 648, no. 8094, pp. 569–575, Dec. 2025, doi: 10.1038/s41586-025-09827-w. arXiv:2506.03567. [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]
[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]
[819] D. Loss and D. P. DiVincenzo, “Quantum computation with quantum dots,” Phys. Rev. A, vol. 57, no. 1, pp. 120–126, Jan. 1998, doi: 10.1103/PhysRevA.57.120. [D]
[820] F. K. Unseld et al., “Baseband control of single-electron silicon spin qubits in two dimensions,” Nat. Commun., vol. 16, no. 1, Art. no. 5605, Jul. 2025, doi: 10.1038/s41467-025-60351-x. [D]