Кремниевые / германиевые спины в квантовых точках на панели карты: КМОП-спиновые кубиты

Архитектура в отчёте (§8.3)

8.3.13 КМОП-спиновые кубиты — Кремниевые / германиевые спины в квантовых точках (spin_qd)

Идея. Спин в квантовой точке, формируемой затворами (qd_spin) — затворный стек размером с транзистор: напечатан КМОП-фабрикой 300 mm (fab_cmos), запутывается с соседом импульсом на разделяющем их барьере — обменным вентилем (g_exch), считывается преобразованием спина в заряд (ro_s2c) и когерентен 1.31 ms (эхо Хана) на фабричном ²⁸Si [D][197]. Ставка: точки, достаточно однородные, чтобы делить калибровку, с управлением, перенесённым в криостат, масштабируются как транзисторы. Цена: такт, ограниченный считыванием, — 8.5 µs выведенных [S] против ~100–300 µs измеренных [G] (§7.4), — и связь только с соседями, пока спины не движутся.

Что ей нужно. Обмен требует точек и импульсов в основной полосе частот: его сила экспоненциально зависит от напряжения на барьере, и HRL относит ~80% своей ошибки CNOT на управление и калибровку [D][190], [191]. Носитель, крио-КМОП, конвейер и криогенная разводка сигналов — все требуют фабрики; разводка вдобавок требует крио-КМОП за собой: Pando Tree от Intel обслуживает до 64 кубитных терминалов при 10–20 mK от одного сигнала и девяти цифровых линий Horse Ridge II — 0.156 линии на терминал [C][272]. Поверхностный код требует 2-D решётки со связью ближайших соседей, которой нет ни у одного устройства реестра; qLDPC с ней конфликтует (дальние проверки) и нуждается в конвейере, который её заменяет. Линии кроссбар конфликтуют с калибровкой каждой пары. В пяти слоях по одной технологии; ни одна не связывает модули.

Где она стоит. Девять машин, шесть устройств (табл. 8.3): продемонстрированы HRL exchange-only silicon spin processor (18 чисто обменных (EO) кубитов из 54 квантовых точек — крупнейшее устройство с вентилями в табл. 8.3, наравне по 18 кубитам с Groove, внесено в реестр 26 сентября 2026 [D][190], [191]), Tunnel Falls (Intel; 12 кубитов [D][199]), foundry 8-qubit array (Diraq/imec, обмен в одной из четырёх пар [D][197]) и 18-кубитный германиевый спиновый процессор Groove Quantum (апрель 2026, без точностей и статьи [P][879]); в эксплуатации RacQ (Equal1; до мая 2026 года продавался как Bell-1 — этим именем его по-прежнему называет ESA [C][237], [881]), установленный в центре ESA во Фраскати в июле 2026 [C][881], а также QM-One (Quantum Motion, число кубитов не опубликовано [200]); анонсированы Diraq 8-qubit silicon spin quantum computer at Equinix Sydney и Hitachi x Intel 18A spin programme; запланирована Alloy Pioneer (Quobly), облачный доступ к концу 2026 [R][201]. Лучшая двухкубитная ошибка среди устройств, 3.0×10⁻³, — у HRL [D][190], [191]; Equal1 заявляет на странице продукта 99.3% (7.0×10⁻³) [C][273], тогда как обзор в прессе печатает 98.4% [P][274]; ни одна другая машина её не публикует. Лучшие значения вне реестра: 99.04–99.56% на фабричных двухкубитных устройствах [D][189]. Код с повторением HRL против переворотов бита (bit-flip) — ошибка падает в 4.7 раза от расстояния 3 к 5, секвенирование при 4 K — единственный прогон коррекции ошибок на архитектуре [D][190], [191].

Исключения и заимствования. Лучше подходящей архитектуры нет; вне слотов стоят две ячейки-технологии — код обнаружения ошибок HRL (code_detect) и криогенный декодер RacQ (dec_cryo), альтернатива, пока не запущенная. До 26 сентября 2026 года основные технологии описывали отсутствующую машину — все восемь строк использовали кодирование на одиночном спине (Лосса–ДиВинченцо), ни одна — чисто обменное кодирование; устройство HRL, теперь принадлежащее IBM [204], стало девятой строкой и единственным носителем основного кодирования архитектуры, а его код с повторением и декодер по чётности — пробелы Атласа (∅G-repetition, ∅G-parity). Foundry 8-qubit array держит единственную ячейку кода в слотах архитектуры — qLDPC из дорожной карты с переносом спинов как альтернативой (ранняя стадия) — и несёт 1.1×10⁻² с других устройств при 1 K [D][194]. Управление на кристалле у RacQ и QM-One — пробел Атласа (∅G-qsoc). Tunnel Falls сочетает крио-КМОП и управление при комнатной температуре (гибрид); управление системы Equinix не раскрыто. Лишь Tunnel Falls документирует свою разводку; ячейки QM-One, RacQ и программы Hitachi выведены косвенно. Четыре машины возбуждают одиночные спины через ESR или EDSR — это СВЧ / оптические спиновые вентили (g_mwspin), которые слой 3 перечисляет как альтернативу; их ячейки вентиля называют только обменный вентиль. Заимствования: крио-КМОП — на пяти сверхпроводниковых машинах; фабрика — на тринадцати, из них восемь ионных ловушек.

Следующая проверка. К марту 2028 (§5.2): массив 300 mm больше 20 кубитов с точностью двухкубитных вентилей ≥ 99.5% по всем парам и считыванием класса µs подтверждает; цель Diraq на 2029 (150 тыс. физических, 1 тыс. логических [R][211], [212]), урезанная ещё раз, понижает. Если система Equinix (ожидается в октябре 2026 [C][206]) и Alloy Pioneer дойдут до 2028 без собственной двухкубитной ошибки, лучшее число останется числом вендора.

Что говорят строители. Довод Diraq — фабрика: её кубиты делают так же, как чипы телефонов и ноутбуков, и это путь к миллионам кубитов на одном кристалле [C][861]. Quobly выпускает чипы на 300-mm линии STMicroelectronics и нацелена на миллион кубитов к 2032 году, а облачный доступ к первой машине, Alloy Pioneer, обещает до конца 2026-го [R][201]. Hitachi вместе с Intel и AIST планирует прототипы с коррекцией ошибок на 100 кубитов в 2028 финансовом году и на 1000 — в 2030-м, на техпроцессе Intel 18A [R][862]. HRL решает проблему проводки криогенным КМОП-контроллером, который провёл коррекцию ошибок на 18-кубитных устройствах без управления с комнатной температуры [D][190], [191]. Equal1 умещает кремниевый спиновый компьютер, охлаждаемый до 0,3 К, в одну 19-дюймовую стойку [C][237]; QM-One компании Quantum Motion занимает три [C][200].

Машины этой архитектуры (реестр: 9, из них 6 устройств, 6 с вентилями). Diraq — foundry 8-qubit array (продемонстрирована, 8); Diraq (with Equinix) — Diraq 8-qubit silicon spin quantum computer at Equinix Sydney (анонсирована, 8); Equal1 — RacQ (Bell-1) (в эксплуатации, 6); Groove Quantum — Groove Quantum 18-qubit germanium spin processor (продемонстрирована, 18); HRL Laboratories (IBM since 26 Aug 2026) — HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots) (продемонстрирована, 18); Hitachi + Intel K.K. + AIST (G-QuAT) — Hitachi x Intel 18A spin programme (анонсирована, 100); Intel — Tunnel Falls (продемонстрирована, 12); Quantum Motion — QM-One (в эксплуатации); Quobly — Alloy Pioneer (Quobly) (запланирована, 15).

Ячейки вне слотов архитектуры (7). Diraq 8-qubit silicon spin quantum computer at Equinix Sydney: L5 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; RacQ (Bell-1): L5 ∅G-qsoc (пробел Атласа — quantum system-on-chip: qubits, control electronics and error-correction logic on one CMOS); RacQ (Bell-1): L8 Криогенный декодер / декодер на чипе (крио-КМОП, БОК) (dec_cryo, альтернатива из другой архитектуры); HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots): L7 Коды обнаружения ошибок ([[4,2,2]], поверхностный d = 2, iceberg, пространственно-временные) (code_detect, основная вне слотов архитектуры); HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots): L7 ∅G-repetition (пробел Атласа — d=5 bit-flip repetition code on 7 exchange-only qubits, Λ5/3 = 4.7 over up to 200 rounds, ); HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots): L8 ∅G-parity (пробел Атласа — repetition-code syndromes interpreted after the run with a parity-check (majority) decoder); QM-One: L5 ∅G-qsoc (пробел Атласа — cryo-CMOS integrated on the qubit die).