המרת ספין-למטען + רפלקטומטריית rf

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

המרת ספין-למטען + רפלקטומטריית rf ro_s2c

הספין מומר לאירוע של תנועת מטען בחסימת פאולי או במנהור סלקטיבי לפי אנרגיה, ואז נקרא בחיישן מטען מתואם ל-rf בתוך מיקרושניות בלי להרוס את הקיוביט.

ro_s2c · שכבה 6 קריאה · הודגם · מאז 2004

פתח במפה

מנהור סלקטיבי לפי פאולי/אנרגיה, המזוהה באמצעות תיבת אלקטרון בודד מבוססת אלקטרודת שער (SEB) או SET; 99.2% ב-< 6 µs; 99.9% ב-100 µs.

תקציר ←

מקורות מרכזיים

[624] G. A. Oakes et al., “Fast High-Fidelity Single-Shot Readout of Spins in Silicon Using a Si… · 2023

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

מרחב התכן — תכונות

(a) זיקת הנושא: מיוצר
(b) זמן · שזירה: —
(c) קריאה: ספין-למטען + רפלקטומטריית rf · 6.3 µs · לא הרסנית · mid-circuit
(d) ניידות: —
(e) בקרה: חשמלית בתדר נמוך @ טמפרטורת החדר
(f) מבנה השגיאה: קוהרנטית / כיול
(g) ייצור: מפעל CMOS 300 mm

מרחב ההערכה — תכונות מתוארכות

fast readout (Oakes et al., Quantum Motion; rf single-electron box) → 99.2% in < 6 µs

מגדירה: שעון (זמן מחזור) · 2023-02 · מקור

best SPAM → 99.9% (100 µs integration)

מגדירה: ערוץ השגיאה · 2025-09 · מקור

ה-99.2% ב-< 6 µs הוא של Oakes et al., PRX 13, 011023 (2023), Quantum Motion — תיבת אלקטרון בודד rf, לא SET.

רשומות סטנדרטיות

זמן איפוס / אתחול → 1.0 µs · טיפוסי

Si spins: 'heralded initialization protocol ... repeated the initialization if unsuccessful', with a t_ramp = 1 us ramp at V_J = 1.12 V · 2025-09 · מקור [D] ⓘ

שגיאת איפוס → לא פורסם · טיפוסי

Initialisation error is not reported separately from the 99.9% SPAM figure · 2025-09 · מקור [D] ⓘ

שגיאת SPAM → 1.00e-3 · טיפוסי

Si spins, Pauli spin blockade + d.c. single-island SET: 'SPAM fidelities reach up to 99.9%' at t_int = 100 us; best device 99.95(8)% · 2025-09 · מקור [D] ⓘ

נאמנות QND / הישרדות → לא פורסם · טיפוסי

No QND or repeated-readout fidelity is reported for the PSB/SET spin readout · 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

קשתות

דורשת: ספין בנקודה קוונטית המוגדרת באלקטרודות שער (Si/SiGe, SiMOS, Ge)°, ספין של אטום תורם (P ב-²⁸Si)°

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

בשימוש: 10 מכונות (10 ראשית · 0 חלופית)

ספינים במוליכים למחצה 10
Diraq 8-qubit silicon spin quantum computer at Equinix Sydney Diraq (with Equinix) ◌ 🔎
foundry 8-qubit array Diraq מאמר עיתונות ▣ Fig. 1b (direct SET vs cascaded spin-to-charge readout); §II.2 ✅
RacQ (Bell-1) Equal1 דף מוצר בלוג בלוג ▦ UnityQ specifications ('Readout fidelity 99%', 'Parity readout') ✅
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 ◌ 🔎
HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots) HRL Laboratories (IBM since 26 Aug 2026) מאמר עיתונות ▤ Methods: Exchange-only qubits; SI S3.D; Fig. 1b ✅
Tunnel Falls Intel מאמר עיתונות עיתונות ◌ 🔎
QM-One Quantum Motion ▣ Fig. 1 (device and measurement setup); Fig. 2, Fig. 4 (spin readout fidelity); §II–III; §VI.B ✅
Alloy Pioneer (Quobly) Quobly עיתונות ◌ 🔎
11-qubit donor processor Silicon Quantum Computing מאמר עיתונות ▤ §Main (QND readout of each nuclear spin via the ancillary electron); Fig. 1 (single-qubit characteristics) ✅

↗ 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: The foundry-fabricated spin qubit unit cell.a, Scanning electron microscopy of the split-gate device with false colours. The silicon channel… — Figure of a foundry-made silicon spin-qubit cell read without a separate charge sensor. Panel (a) is a false-colour electron micrograph (40 nm scale) of a silicon channel crossed by split gates; two electrons sit under gates L and R, gate L is wired to a resonant circuit whose response reveals the electrons' state, and gate R receives fast pulses. Panel (b) draws the device in cross-section; (c) is the charge map read through the resonator; (d) and (e) show the coupling between the two dots tuned by a gate. From Nature Electronics (2026), Fig. 1, by Hamonic, Urdampilleta and co-authors. It illustrates gate-based radio-frequency readout of a singlet–triplet qubit. “Fig. 1 — Fig. 1: The foundry-fabricated spin qubit unit cell.a, Scanning electron microscopy of the split-gate device with false colours. The silicon channel (khaki) is…” by Hamonic et al., www.nature.com/articles/s41928-026-01654-9, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 1 — Figure 1: (a) Electronic and cryogenic setup. An RF tone PinP is split in two at room temperature (RT). One part serves as local oscillator (LO) for — Three-panel figure. (a) A drawing of the measurement chain from room temperature through 4 K to 50 mK: attenuated input and pump lines, a directional coupler, isolators, a Josephson travelling-wave parametric amplifier (+12 dB), a high-electron-mobility-transistor (HEMT) amplifier (+35 dB) and an IQ demodulator, with an optical micrograph of the spiral inductor forming the tank circuit on gate B3. (b) A false-coloured scanning electron micrograph of a four-dot silicon (SiMOS) device with gates B1–B3 and T1–T3. (c) A charge-stability map of the demodulated signal. It is Fig. 1 of arXiv 2307.14717 by V. Elhomsy and co-authors. It shows where a parametric amplifier sits in gate-based spin-qubit readout. “Fig. 1 — Figure 1: (a) Electronic and cryogenic setup. An RF tone PinP is split in two at room temperature (RT). One part serves as local oscillator (LO)…” by Victor Elhomsy et al., arxiv.org/abs/2307.14717, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 1 — Figure 1: Schematic of the experimental setup. The double quantum dot, located at the 60 mK stage, is coupled to an RF-reflectometry circuit for fas… — A drawn block schematic of a cryogenic measurement set-up across three stages (300 K, 4 K, 60 mK), with two real images: a scanning-electron micrograph of the gate electrodes of a silicon double quantum dot and an optical image of its chip, the imaged area boxed in orange. It is Fig. 1 of arXiv 2608.10325 (August 2026) by Johnathan Bryan, Tim J. Wilson and Hong-Wen Jiang, on real-time FPGA-based (field-programmable gate array) feedback stabilization of a silicon double quantum dot. Radio-frequency reflectometry reads the dot's charge state quickly; a Quantum Machines OPX controller runs a proportional-integral-derivative (PID) loop that corrects gate voltages in real time against drift. “Fig. 1 — Figure 1: Schematic of the experimental setup. The double quantum dot, located at the 60 mK stage, is coupled to an RF-reflectometry circuit for fast…” by Johnathan Bryan, Tim J. Wilson, Hong-Wen Jiang, arxiv.org/abs/2608.10325, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

ro_s2c · layer 6 קריאה · centrality 8.4 · demonstrated · since 2004 · updated 2026-09-30

המרת ספין-למטען + רפלקטומטריית rf

הספין מומר לאירוע של תנועת מטען בחסימת פאולי או במנהור סלקטיבי לפי אנרגיה, ואז נקרא בחיישן מטען מתואם ל-rf בתוך מיקרושניות בלי להרוס את הקיוביט.

Verdict. הקריאה שכל ארכיטקטורת צורן משתמשת בה והאיבר הקובע את שעון הצורן — 6 µs ב-99.2% או 100 µs ב-99.9%, ואף התקן שפורסם אינו מספק את שניהם.

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

הספין אינו נושא מטען, ולכן הופכים אירוע מנהור למותנה בספין — חסימת פאולי (זוגיות של שני ספינים, קנה המידה = פיצול סינגלט–טריפלט) או מנהור אלזרמן (Elzerman) הסלקטיבי לפי אנרגיה (ספין יחיד, הדורש זימן ≫ kT) — וחיישן מטען מדווח עליו. החיישן הוא טרנזיסטור אלקטרון בודד או תיבת אלקטרון בודד מבוססת אלקטרודת שער הנקראת דרך קיבול קוונטי, במעגל תהודה LC סמוך ל-0.1–2 GHz. קריאת אלזרמן במדידה אחת (single-shot) מתוארכת ל-2004. תכונות: קריאה — ספין-למטען, ~6 µs, לא-הורסת, ניתנת לביצוע באמצע המעגל; בקרה — הנעה בתדר נמוך מטמפרטורת החדר, חיישן ב-CMOS, נושא שאינו נייד.

פיזיקה וגבולות

יחס האות לרעש לכל מדידה הוא הסטת הפאזה המשולבת כנגד רעש המגבר על פני חלון שתקרתו T₁ ורצפתו רוחב הפס של מעגל התהודה — כל הסחר-חליפין: 99.2% מתחת ל-6 µs D[624] לעומת SPAM של 99.9% ב-100 µs D[189]. קריאת אלזרמן גוועת כש-kT מתקרב לאנרגיית זימן, ולכן פעולה חמה (≈1 K) עולה קודם כול בקריאה; חסימת פאולי שורדת שם, אך עונה על זוגיות. רלקסציה בתוך החלון מחזירה מצב יסוד כוזב, ורעש המטען של החיישן מזיז את הסף, ולכן שגיאת המדידה סוחפת ומתואמת, לא בלתי תלויה כפי שהמפענחים מניחים. הגברה בגבול הקוונטי ודמודולציה בתוך המקרר מזיזות את הרצפה.

מצב ההנדסה העדכני

טבלה

שנה	נתון	מי	תג+מפתח
2023-02-23	99.2% במדידה אחת ב-<6 µs, תיבת אלקטרון בודד rf	Quantum Motion	D[624]
2025-09-24	SPAM של 99.9% ב-100 µs, SiMOS על 300 mm	Diraq	D[189]

האיבר השולט: יחס האות לרעש בחלונות קצרים, T₁ בארוכים; אף התקן ממפעל ייצור אינו מפרסם קריאה מתחת ל-10 µs מעל 99.5%.

מספר הערוצים של ZQCS הוא ניסוח מחדש בעיתונות המקצועית של השקת ספק, לא הודעה ראשונית. לא פורסם: נאמנות קריאה בלבד, המופרדת בבחינת ביצועים אקראית, מאחורי ה-99.9% של Diraq/imec המצוטט כ-SPAM.

ייצור, חומרים ושרשרת האספקה

בנוי במחסנית ה-CMOS של 300 mm של הקיוביט עצמו, החיישן אינו מוסיף סיכון חומרים; התיבה מבוססת אלקטרודת השער, הזקוקה רק לאלקטרודה ולמעגל תהודה, היא הצורה המועדפת על מפעלי הייצור. המכשור נקנה, לא נבנה: ה-SHFQC-LRT של Zurich Instruments נותן אינטגרציה משוקללת של ≤32 µs C[625], ו-OPX1000 של Quantum Machines מונה תשעה לקוחות ספין, ובהם Diraq, HRL, imec ו-Equal1 C[449]. ריבוב תדרים שומר על מספר קווים תת-ליניארי: הקיר ב-10³ הוא המרווח בין מעגלי התהודה על פני הפס; ב-10⁴–10⁶ הוא רוחב הפס המצרפי של הקריאה ומספר המגברים, לא החיישן. הבקר ב-4 K של HRL (366 DAC, ≤3.5 W) מראה שהשרשרת יכולה לעבור אל תוך המקרר D[190].

תפקיד במחסנית

נדרשת בידי ספינים בנקודות קוונטיות ובידי ספיני תורמים, ללא קשתות של החלפה או של התנגשות — טכנולוגיית הקריאה נושאת העומס גם בארכיטקטורת ספינים בנקודות קוונטיות בצורן/גרמניום וגם בארכיטקטורת ספיני התורמים. המרשם מונה 10 מכונות המשתמשות בה, וביניהן QM-One, RacQ (Bell-1), 11-qubit donor processor ו-HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots). עם שערי חילוף בעשרות ננו-שניות, קריאה ב-6–100 µs קובעת שעון נגזר = סכום סבב הסינדרום: שכבות שערים + הובלה + קריאה + איפוס: 8.5×10⁻⁶ s בקצה המהיר, מתוכם 6.3 µs קריאה. אימות: שני נתוני הכותרת הם התקנים שונים עם חיישנים שונים — עקומת מהירות–נאמנות, לא מערכת אחת — וה-99.9% כורך גם אתחול. אף אחד מהם לא שוחזר באופן בלתי תלוי.

שחקנים וכלכלה

מי.
| ארגון | תפקיד | מדינה | מה הם עושים | ראיות |
|---|---|---|---|---|
| Quantum Motion | מפתח | בריטניה | קריאה בתיבת אלקטרון בודד, 99.2% ב-<6 µs | D[624] |
| Diraq | מפתח | אוסטרליה | SPAM של 99.9% על SiMOS של imec ב-300 mm | D[189] |
| Silicon Quantum Computing | מפתח | אוסטרליה | קריאה של אוגרים גרעיניים של אטומים תורמים | Dfact |
| HRL Laboratories | מפתח | ארה״ב | קריאה המתוזמנת בידי CMOS קריוגני ב-4 K | Dfact |
| Zurich Instruments | ספק | שווייץ | מוכרת את מכשירי הרפלקטומטריה | C[625] |
| Quantum Machines | ספק | ישראל | מחסנית קריאה לתשעה צוותי ספין | C[449] |

כספים. 2025-02-25 · Quantum Machines · סבב C · $170 M · PSG Equity, Intel Capital · נסגר Cfact. 2025-11-06 · Diraq, Quantum Motion, SQC · שלב B של QBI · ≤$15 M לכל אחת · DARPA · נבחרו fact. 2026-05-07 · Quantum Motion · סבב C · $160 M · DCVC, Kembara · נסגר Cfact. 2026-05-21 · Diraq · מכתב כוונות של CHIPS · ≤$38 M · US Commerce · לא מחייב fact.

שוק ושרשרת אספקה. Zurich Instruments ו-Quantum Machines מספקות את שרשרת ה-rf שכמעט כל צוות ספין קונה ולא בונה C[449], [625]; הגברה קריוגנית היא צוואר הבקבוק השני. משלמת אל G2, G3, G7.

קניין רוחני ותקנים. נכון ל-4 בספטמבר 2026 אין משפחת פטנטים מתוארכת להמרת ספין-למטען או לרפלקטומטריית rf במאגר נקוב.

מפות דרכים ועמידה בהבטחות. Diraq (2026-08-27 · 150 k פיזיים, 1 k לוגיים עד 2029 · לא מומש; ההודעה שלה מ-2026-07-09 אמרה "אלפים עד 2029") Rfact. Zurich Instruments (2026-03-09 · ZQCS ל"כמה אלפי קיוביטים" · במשלוח) P[526]. אף ספק אינו מבטיח קצב קריאה מתוארך; המכשירים מסופקים בזמן, מספרי הקיוביטים לא.

פרשנות אסטרטגית. הקריאה היא תת-המערכת האחת בצורן הנקנית ולא נבנית, ולכן ספקי אלקטרוניקת הבקרה שומרים על מנוף יהיה הקיוביט המנצח אשר יהיה; אם התיבה מבוססת אלקטרודת השער תדחק את טרנזיסטור החיישן, מפעל הייצור לוכד אותה, ותכנונים עם חיישן לכל קיוביט מפסידים פעמיים.

תחזית ושאלות פתוחות

לאשר או להוריד בדרגה בתוך 12–24 חודשים: ≥99.9% מתחת ל-20 µs על התקן ממפעל ייצור; ≥16 חיישנים מרובבים על קו אחד עם נתון הפרעה הדדית. התרחיש הטוב ביותר ל-2029: >100 חיישנים נקראים מתחת ל-10 µs כל אחד, בדמודולציה בתוך המקרר. התרחיש הגרוע ביותר: הקריאה נשארת האיבר הקובע את השעון והשגיאה הגדולה ביותר במחזור הסינדרום. פתוח: (1) מעגלי תהודה לכל מגבר בגבול הקוונטי; (2) האם קריאת זוגיות מספיקה ללא קיוביט עזר לכל קיוביט; (3) כיצד נראית סחיפת סף מתואמת בעיני מפענח.

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]
[449] Quantum Machines, “Semiconductor Spin Qubits,” Aug. 11, 2026. [Online]. Available: https://www.quantum-machines.co/qubit-types/semiconductor-spin-qubits/ [C]
[526] Zurich Instruments, “Zurich Instruments Launches the ZQCS Quantum Control System to Master the Long-Lived Logical Qubit Challenge,” Mar. 9, 2026. [Online]. Available: https://www.zhinst.com/americas/en/news/zurich-instruments-launches-zqcs-quantum-control-system-master-long-lived-logical-qubit/ [P]
[624] G. A. Oakes et al., “Fast High-Fidelity Single-Shot Readout of Spins in Silicon Using a Single-Electron Box,” Phys. Rev. X, vol. 13, no. 1, Art. no. 011023, Feb. 2023, doi: 10.1103/PhysRevX.13.011023. [D]
[625] Zurich Instruments, “SHFQC-LRT Long Readout Time,” Jan. 30, 2025. [Online]. Available: https://www.zhinst.com/en/products/shfqc-lrt-long-readout-time [C]