מהודים מוליכי-על תלת-ממדיים בעיבוד שבבי

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

מהודים מוליכי-על תלת-ממדיים בעיבוד שבבי fab_3d

גופי מהודים מאלומיניום או מניוביום בעיבוד שבבי ב-CNC, עם Q פנימי מעל 0.5×10⁹; הגוף בקנה מידה של cm לכל אופן הוא המחיר המבני של קודים בוזוניים מבוססי-מהוד.

fab_3d · שכבה 10 ייצור · הודגם · מאז 2013

פתח במפה

מהודי אלומיניום בעיבוד שבבי מגיעים ל-Q > 0.5×10⁹ (זמן חיים של פוטון 10 ms, Yale 2013); מהודי מאיץ מניוביום ללא קיוביט מחזיקים פוטונים 0.5–2 s ב-~10 mK (Fermilab 2020); תפוסה בסדר גודל של cm לכל קיוביט — נקודת התורפה בהגדלה של קודים בוזוניים מבוססי-מהוד.

תקציר ←

מקורות מרכזיים

[318] M. Reagor et al., “Reaching 10 ms single photon lifetimes for superconducting aluminum cav… · 2013

[319] O. Milul et al., “Superconducting Cavity Qubit with Tens of Milliseconds Single-Photon Coh… · 2023

[84] N. Mehta et al., “An entangling gate for dual-rail erasure qubits,” Nature, vol. 656, no. … · 2026

[80] H. Putterman et al., “Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic… · 2025

[281] D-Wave, “D-Wave Demonstrates First Scalable, On-Chip Cryogenic Control of Gate-Model Qubit… · 2026

מרחב התכן — תכונות

(a) זיקת הנושא: מיוצר
(b) זמן · שזירה: —
(c) קריאה: —
(d) ניידות: —
(e) בקרה: —
(f) מבנה השגיאה: אובדן (מחיקה)
(g) ייצור: מהודים תלת-ממדיים בעיבוד שבבי

מרחב ההערכה — תכונות מתוארכות

cavity Q (Al, Yale) → > 0.5×10⁹, single-photon lifetime 10 ms

מגדירה: ערוץ השגיאה · 2013 · מקור

נתוני הקוהרנטיות 25.6 ms / 34 ms הם של Weizmann (PRX Quantum 4, 030336), ולא תמצית המאמר ולא הסיכום בכתב העת מציינים את חומר המהוד — "מצופה Nb" אינו נתמך.

רשומות סטנדרטיות

שיעור התקינות של ההתקנים → לא פורסם · הטוב ביותר

No yield published: the Al 3D cavity result (Q > 0.5e9, 10 ms single-photon lifetime) is a single machined device, not a batch · 2013-02 · מקור [D] ⓘ

פיזור הפרמטרים → לא פורסם · הטוב ביותר

No cavity-to-cavity spread is reported for machined 3D superconducting cavities; only individual best-device Q values are published · 2013-02 · מקור [D] ⓘ

שחקנים ויעדים — ביאורים

קיוביטי מחיקה במסילה כפולה — D-Wave/QCI, AWS, SUSTech · G3 G4

קיוביטים בוזוניים במהודים — חתול ו-GKP (חלופית) — Alice & Bob, AWS, Nord Quantique · G3 G4

קשתות

נחוצה עבור: אופן בוזוני של מהוד°

חלופות: ליתוגרפיה של קיוביטים מוליכי-על (צמתי Al/AlOx/Al, חיווט Nb, 300 mm)

מתנגשת עם:

סריג סטטי של שכנים קרובים פתוחה — לא הוצגה הפחתה בקנה מידה

מהודים בסדר גודל של cm אינם יכולים לרצף סריגים דו-ממדיים צפופים

מחיר מהודים בעיבוד שבבי בסדר גודל של cm נותנים ~1 אופן ל-cm²; סריג דו-ממדי צפוף שלהם אינו אפשרי, ולכן קיוביטים בוזוניים תלת-ממדיים נעצרים בכמה עשרות אופנים למודול

הפחתה מהודים קואקסיאליים λ/4 ומהודים דו-עמודיים בסדר גודל של mm, או אופנים בוזוניים מישוריים; הצפיפות עדיין נמוכה בסדר גודל מזו של סריגי טרנסמונים · 2026-07

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

בשימוש: 5 מכונות (5 ראשית · 0 חלופית)

מעגלים מוליכי-על 5
D-Wave gate-model dual-rail system D-Wave Quantum עיתונות ◌ Fig. 1a (pair of 3D λ/4 coaxial cavities per qubit; the fabrication route is inferred) 🔎
Nord Quantique single-mode GKP Nord Quantique מאמר עיתונות ▤ App. A.1 Experimental device 🔎
Nord Quantique Tesseract Nord Quantique דף מוצר עיתונות ▤ §II.1 Experimental setup / App. A.1 Experimental device ✅
Aqumen Seeker Quantum Circuits Inc. (acquired by D-Wave, Jan 2026) עיתונות ◌ 🔎
SUSTech biased-erasure cavity qubit Southern University of Science and Technology מאמר ▤ SI §I.A Experimental device and setup ✅

↗ 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. 5 — Figure 5: Waveguide circulator-cavity integration. (a) The photo image, (b) a schematic top-down view, and (c) a diagrammatic illustration of the ef… — A centimetre-scale microwave device. (a) Photograph of a copper waveguide junction with SMA connectors, a plate outlined in blue on its face and a grey niobium cavity section with a slot aperture; (b) top-down drawing of the copper Y-junction with a YIG (yttrium iron garnet) ferrite cylinder, niobium cavities at input ports 1 and 2, and output port 3; (c) diagram of the coupled modes. From arXiv 2106.11283 by Ying-Ying Wang, Chen Wang and co-authors, 'A low-loss ferrite circulator as a tunable chiral quantum system'. A circulator passes microwaves one way only; built into superconducting cavities, it replaces a separate lossy part; the field sign sets the direction. “Fig. 5 — Figure 5: Waveguide circulator-cavity integration. (a) The photo image, (b) a schematic top-down view, and (c) a diagrammatic illustration of the effective…” by Ying-Ying Wang et al., arxiv.org/abs/2106.11283, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 1 — Figure 1: System diagrams. The elements representing the Readout, Qubit, Memory 1, and Memory 2 components are red, green, blue, and orange, respect… — A three-panel figure: a cutaway 3D render, not a photograph, of a machined aluminium "flute" cavity holding a sapphire chip with a readout resonator (red) and a transmon qubit (green), plus an energy-level diagram and a schematic spectrum. It comes from the arXiv paper "Analytical Fock-State Generation and SWAP using a Rabi-Driven Transmon" by Natan Karaev, Eliya Blumenthal and Shay Hacohen-Gourgy. It shows two bosonic cavity modes (blue and orange) used as memories and controlled through the transmon; notice how the drilled holes shape where each mode lives. “Fig. 1 — Figure 1: System diagrams. The elements representing the Readout, Qubit, Memory 1, and Memory 2 components are red, green, blue, and orange, respectively. (a)…” by Natan Karaev, Eliya Blumenthal, Shay Hacohen-Gourgy, arxiv.org/abs/2604.07235, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

File:Plasma Processing (32925141021).jpg — Artistic 3D render of a multi-cell niobium superconducting cavity cut open to show plasma processing: glowing plasma cleans one cell at a time and the burnt-off hydrocarbons leave as gas. Made by Oak Ridge National Laboratory (image credit ORNL/Jill Hemman). It is a drawing of an accelerator cavity, not a qubit device, but it explains a surface treatment that raises the quality factor of superconducting cavities, the property that makes 3D cavities useful as long-lived quantum memories. “Plasma Processing (32925141021)” by Oak Ridge National Laboratory, commons.wikimedia.org/wiki/File:Plasma_Processing_%283292514…, CC BY 2.0 (creativecommons.org/licenses/by/2.0/)

fab_3d · layer 10 ייצור · centrality 5.2 · demonstrated · since 2013 · updated 2026-09-30

מהודים מוליכי-על תלת-ממדיים בעיבוד שבבי

גופי מהודים מאלומיניום או מניוביום בעיבוד שבבי ב-CNC, עם Q פנימי מעל 0.5×10⁹; הגוף בקנה מידה של cm לכל אופן הוא המחיר המבני של קודים בוזוניים מבוססי-מהוד.

Verdict. התהליך קונה את מבנה השגיאה הטוב ביותר בחומרת מוליכי-על ומשלם עליו בנפח; נכון ל-2026-09-04 אף ספק לא פרסם מפת דרכים לשיעור תקינות, לעלות או לצפיפות.

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

גופי מתכת מלאה בעיבוד שבבי מדויק — גאומטריות של גדם קואקסיאלי λ/2 או λ/4 ושל מוליך גל, מאלומיניום או מניוביום בטוהר גבוה — המארחים את האופן הבוזוני. מהודי האלומיניום של Yale מ-2013 הגיעו ל-Q > 0.5×10⁹ ולזמן חיים של פוטון של 10 ms, וכך העלו את התהליך לרמה המתאימה לקיוביטים D[318]. זהו שלב ייצור, לא התקן פועל: אין לו מודאליות בקרה, קריאה או זמן שער. הוא קובע את אובדן הפוטונים של האופן המתארח בו.

פיזיקה וגבולות

היתרון גאומטרי: השדה שוכן בוואקום ולא בממשק מתכת–דיאלקטרי שנוצר בליתוגרפיה, ולכן יחס ההשתתפות של פני השטח — ועמו הפסדי המערכות הדו-רמתיות המגבילים מהודים מישוריים — יורד בסדרי גודל D[318]. נותרים תחמוצת פני השטח, מוליכות התפרים ודליפה קרינתית, והמענה להם הוא ליטוש אלקטרוכימי, אטמי אינדיום וכוונון פרטני. אלה שלבים של מלאכת יד, ולכן במהודים שנבנו לניסויי קיוביטים הרצפה זזה לאט: זמן חיים של פוטון של 10 ms ב-2013, ו-25.6 ms עם קוהרנטיות של 34 ms ב-2023 — זמן החיים גדל פי 2.6 בעשור D[318]D[319]. טכנולוגיית המאיצים מראה עד כמה נמוך יכולה הרצפה לרדת: מהודי הניוביום של Fermilab, שבהם טיפול תרמי בוואקום ב-340–450 °C דיכא את הפסדי המערכות הדו-רמתיות בתחמוצת הניוביום, החזיקו פוטונים 0.5–2 s בטמפרטורה של כ-10 mK, במדידות עד רמה של פוטונים ספורים — מהודים חשופים, בלי קיוביט ובלי קיוביט עזר Dfact. כדי להעביר זאת לזיכרון קיוביט נדרשים טיפול בפני השטח וגאומטריה ללא תפרים, ובנוסף ניתוק האופן מקיוביט העזר שלו D[319].

מצב ההנדסה העדכני

טבלה

תאריך	נתון	מי	תג
2013	מהוד אלומיניום בעיבוד שבבי, Q > 0.5×10⁹, זמן חיים של פוטון 10 ms	Yale	D[318]
2020-03	מהודי מאיץ מניוביום ללא קיוביט: זמן חיים של פוטון 0.5–2 s ב-~10 mK	Fermilab	Dfact
2023-09	קיוביט מהוד: T1 25.6 ms, T2 34 ms	Weizmann Institute	D[319]
2026-08	גופים קואקסיאליים λ/4 בזוגות, לקיוביטי מסילה כפולה	Quantum Circuits	D[84]

הנתון המגביל הוא הנפח, לא Q: לא פורסם שום מספר של שיעור תקינות, עלות או זמן כוונון לגוף.

נתון ה-34 ms הוא של מכון ויצמן (T1 25.6 ms, T2 34 ms), לא של קבוצה מהשושלת של Yale. ה-Q > 0.5×10⁹ של 2013 נעקף באופן בלתי תלוי — חללי המאיץ מניוביום של Fermilab החזיקו פוטונים 0.5–2 s בכ-10 mK, ללא קיוביט או רכיב עזר מחוברים fact — אך לאורך החיים של קיוביט החלל מ-2023 אין שחזור בלתי תלוי. AWS [80] אינה משתמשת בגוף מעובד שבבית. לא פורסם: אם החלל של מכון ויצמן מצופה ניוביום; תפוקה, זמן כיוונון או עלות לגוף, מאף ספק; אילו רכיבי מארז ייצרה JPL, ואם היה לה תפקיד כלשהו בעיבוד גופי החללים [281]; ואיך Nord Quantique מייצרת את גוף החלל דו-העמודים שלה מאלומיניום בטוהר גבוה [82].

ייצור, חומרים ושרשרת האספקה

הגופים מעובדים ב-CNC או ב-EDM מחומר גלם בטוהר גבוה, ואחר כך מלוטשים, נאטמים ומכווננים אחד-אחד. האילוץ המכריע הוא נפח הקריוסטט, לא שטח הפרוסה — ההפך ממפת דרכים מישורית. שום דבר אינו משולב על השבב, ולכן לכל אופן כבל קואקסיאלי משלו עד טמפרטורת החדר; ב-10³ אופנים החומה היא מספר הכבלים הקואקסיאליים ושטח הלוח הקר, ו-10⁴–10⁶ הם מחוץ להישג יד. שתי החברות המפתחות קיוביטי חתול בונות במישור: ב-Ocelot של AWS האופנים הבוזוניים הם מהודי מוליך גל קו-מישוריים על שתי פיסות המחוברות בחיבורי בליטות D[80], והשבבים של Alice & Bob הם מעגלי טנטלום על ספיר, והזיכרון של Boson 3 הוא מהוד קו-מישורי של רבע אורך גל fact; אופן ה-GKP של Nord Quantique נשאר במהוד בעל שני עמודים (double-post) מאלומיניום בטוהר גבוה D[82]. העיבוד השבבי נעשה בתוך הבית אצל כל ספק, ולא נמצא מפעל ייצור חיצוני למהודים; הספק החיצוני היחיד שנזכר בסביבה, ה-Jet Propulsion Laboratory של NASA, ייצר רכיבי מפתח של מארז הבקרה הקריוגנית מרובה-השבבים של D-Wave, לא גופים C[281]. המקררים מרוכזים אצל Bluefors, שבבעלותה גם Cryomech fact. לא נמצא כלל יצוא ייחודי לגופי מהודים; החשיפה עוברת דרך הפיקוח הכללי על יצוא מכונות כלים.

תפקיד במחסנית

התהליך מספק את הגופים לאופן הבוזוני של המהוד, ומכאן לקידודי חתול ו-GKP, למחיקה במסילה כפולה ולשערים בתיווך קיוביט עזר. הוא מחליף ליתוגרפיה מישורית ומתנגש עם ריצוף דו-ממדי צפוף: גופים בקנה מידה של cm אינם יכולים ללכת בעקבות הטרנסמונים אל 10⁴–10⁶ על פיסה אחת. הוא אינו תורם דבר לשעון הנגזר — 1.44 µs נגזרים לעומת 2.8 µs שנמדדו בארכיטקטורת מהודי החתול וה-GKP, ו-2.8 µs נגזרים לעומת ~2 µs שנמדדו בארכיטקטורת המחיקה במסילה כפולה — וקובע את זמן החיים, לא את התזמון. המשבצת הריקה הסמוכה היא תהליך ייצור באצווה או בקנה מידה של פרוסה לאופנים בוזוניים. אימות: זמן החיים של 2023 הוא תוצאה של קבוצה יחידה; ה-Q של 2013 נעקף מאז באופן בלתי תלוי, במהודי הניוביום של Fermilab ללא קיוביט עזר Dfact; לגופי ה-λ/4 מ-2026 פורסמו זמני חיים של המהודים, 231–652 µs, כלומר Q של 1–3×10⁷ D[84].

שחקנים וכלכלה

מי.

ארגון	תפקיד	מדינה	מה בדיוק הם עושים	ראיות
Nord Quantique	מפתח	קנדה	קיוביט GKP במהוד בעל שני עמודים מאלומיניום בטוהר גבוה	D[82]
D-Wave	מפתח	ארה״ב	זוגות של מהודים קואקסיאליים λ/4 לקיוביטים במסילה כפולה, בסדנה ב-New Haven; החומר ואופן העיבוד לא פורסמו	D[84]
NASA JPL	ספק	ארה״ב	ייצור רכיבי מפתח של מארז הבקרה הקריוגנית מרובה-השבבים של D-Wave	C[281]
Bluefors	ספק	פינלנד	מקררי דילול — הנפח שעליו מתחרים הגופים האלה	fact

כספים.
2026-01-20 · D-Wave · מיזוג ורכישה של Quantum Circuits · $550 M · — · נסגר fact
2026-01-06 · D-Wave · בקרה קריוגנית על השבב, רכיבי מפתח של המארז יוצרו ב-JPL · — · הוכרז C[281]
2026-08-06 · D-Wave · דוח הרבעון השני · הזמנות במחצית הראשונה $35.5 M, התחייבויות $40.7 M · דווח fact

שוק ושרשרת אספקה. אין שוק לעיבוד שבבי של מהודים: כל ספק מפעיל סדנה פנימית קטנה, והיא נקודת הכשל היחידה. כוח המיקוח נמצא בידי יצרני המקררים. G1 ו-G3 משלמים; G4 אינו משלם.

קניין רוחני ותקנים. לא נמצאה משפחת פטנטים מתוארכת הייחודית לתהליך העיבוד השבבי, ושום תקן אינו מכסה הסמכה של מהודים.

מפות דרכים ועמידה בהבטחות. אין מפת דרכים לצפיפות המהודים או לעלותם. הסולם DR17 → DR49 → DR181 של D-Wave מרמז על מספר גופים עולה, ללא תוכנית ייצור Rfact, ושותק במקום שבו מפת דרכים של ASIC הייתה מפורשת.

פרשנות אסטרטגית. התהליך הזה הוא הסיבה לכך שמבנה השגיאה הבוזוני טוב והצפיפות הבוזונית גרועה; הוא הופך לנטל ברגע שמסילה כפולה מישורית או GKP על השבב ישתוו לשיעורי המחיקה שלו.

תחזית ושאלות פתוחות

לאשר עד 2028 אם ספק יפרסם נתון של שיעור תקינות לגוף או יציג גוף קטן מ-cm ב-Q דומה; להוריד בדרגה אם הסדנה תשתוק בזמן שקיוביטי מחיקה מישוריים גדלים. התרחיש הטוב ביותר ל-2029: מערכי מהודים בייצור אצווה. התרחיש הגרוע ביותר: גופים בעיבוד ידני לזמן בלתי מוגבל, המגבילים את הענף לסביבות 10² אופנים. פתוח: האם עיבוד ללא תפרים מעלה את Q; מהי העלות האמיתית לאופן? לעקוב אחר DR49 של D-Wave ואחר השאלה אם Nord Quantique תעבור מאופן מהוד יחיד לכמה אופנים.

מקורות

[80] H. Putterman et al., “Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits,” Nature, vol. 638, no. 8052, pp. 927–934, Feb. 2025, doi: 10.1038/s41586-025-08642-7. [D]
[82] S. Turcotte et al., “Quantum error correction of a grid-state qubit with state preparation and measurement errors below 10⁻³,” arXiv:2607.06718, Jul. 2026. [D]
[84] N. Mehta et al., “An entangling gate for dual-rail erasure qubits,” Nature, vol. 656, no. 8126, pp. 47–53, Aug. 2026, doi: 10.1038/s41586-026-10822-y. arXiv:2503.10935. [D]
[281] D-Wave, “D-Wave Demonstrates First Scalable, On-Chip Cryogenic Control of Gate-Model Qubits,” Jan. 6, 2026. [Online]. Available: https://www.dwavequantum.com/company/newsroom/press-release/d-wave-demonstrates-first-scalable-on-chip-cryogenic-control-of-gate-model-qubits/ [C]
[318] M. Reagor et al., “Reaching 10 ms single photon lifetimes for superconducting aluminum cavities,” arXiv:1302.4408, Feb. 2013. [D]
[319] O. Milul et al., “Superconducting Cavity Qubit with Tens of Milliseconds Single-Photon Coherence Time,” PRX Quantum, vol. 4, no. 3, Art. no. 030336, Sep. 2023, doi: 10.1103/PRXQuantum.4.030336. [D]