← Quantum Technology AtlasТехнологии · Машины · Архитектуры · ОрганизацииEnglishעברית

Донорный спин (P в ²⁸Si) donor

Атомы фосфора, размещённые СТМ-литографией в обогащённом кремнии-28: связанный электрон даёт возбуждение и считывание, ядро ³¹P — долгоживущий кубит.

Донорный спин (P в ²⁸Si)

donor · слой 1 Носитель кубита · продемонстрировано · с 2012
Открыть на карте

Атомы фосфора, размещённые методом СТМ; ядерные кубиты управляются через сверхтонкую связь с общим электроном; нет фабричного пути.

Обзор →

Ключевые источники

[192] H. Edlbauer et al., “An 11-qubit atom processor in silicon,” Nature, vol. 648, no. 8094, p… · 2025
[357] M. Fuechsle et al., “A single-atom transistor,” Nat. Nanotechnol., vol. 7, no. 4, pp. 242–… · 2012

Пространство проектирования — атрибуты

(a) сродство носителя
промежуточный / не зависящий от носителя
(b) время · запутывание
1.0 µs · детерминированное
(c) считывание
преобразование спина в заряд + радиочастотная рефлектометрия · 10 µs · неразрушающее · внутрисхемное
(d) подвижность
статическая разводка ближайших соседей
(e) управление
низкочастотное электрическое @ комнатная
(f) структура ошибки
стохастическая паулиевская
(g) производство
СТМ-литография

Пространство оценки — датированные атрибуты

nuclear-spin gates (range reported) → 99.5–99.99%; Bell > 99% (single 99.90(4)% CZ not isolable in the abstract)
определяет: канал ошибок · 2025-12 · источник

SQC (Австралия), основана в 2017; первое устройство с детерминированно размещённым одиночным донором — UNSW/Simmons (2012). Сырьё ²⁸Si — ASP Isotopes и DOE/ORNL.

Стандартные рекорды

T1-релаксация → не опубликовано · лучшее
No T1 reported for the P donor electron or nuclear spin; the supplementary gives only readout-limited nuclear lifetimes 2,900 s / 7,900 s · 2014-02 · источник [D] ⓘ
когерентность T2 (эхо/DD) → 36 s · лучшее
28Si:P ionised 31P+ nuclear qubit: T2(DD) = 35.6 s, Hahn 1.75 s, T2* 0.6 s; electron T2(DD) = 0.56 s · 2014-02 · источник [D] ⓘ
когерентность T2 (эхо/DD) → 45 ms · типичное
SQC 11-qubit donor register: nuclear T2(Hahn) 3-660 ms (T2* 1-46 ms); electron T2(Hahn) ~350 us, T2* ~20 us · 2025-12 · источник [D] ⓘ
время однокубитного вентиля → не опубликовано · типичное
No pi-pulse duration in ns or us is stated in Muhonen 2014 or in the SQC 11-qubit paper; only fidelities are given · 2025-12 · источник [D] ⓘ
ошибка простоя/памяти за раунд → не опубликовано · типичное
No donor QEC round has been run; no idle/memory error per round is published · 2025-12 · источник [D] ⓘ

Участники и цели — аннотации

Донорные спины в кремнии — SQC · G7

Рёбра

нужно: СТМ-литография (доноры)·
нужен для: Обменный вентиль (спины; вкл. CZ на переносимых спинах)°, Преобразование спина в заряд + радиочастотная рефлектометрия°, Кодирование на одиночном спине (Лосса–ДиВинченцо) / ядерном спине°, СВЧ / оптические спиновые вентили (центры окраски, однокубитные спины)°
альтернативы: Спин в квантовой точке, формируемой затворами (Si/SiGe, SiMOS, Ge)
° одно из нескольких, что подошли бы · обычный маршрут, не строгая необходимость

Используют 1 машин (1 основная · 0 альтернатива)

↗ карточка реестра · статья / продукт / пресса: ссылки, где машина названа (атрибуция проверена 20 сентября 2026)

Иллюстрации

У каждой иллюстрации — рассказ о том, что на ней, и строка авторства.

Fig. 1 — Figure 1: Single-qubit characteristics of the 11-qubit atom processor. a, Connectivity of nuclear spins (n1n-n9n) and electron spins (e1e and e2e_{2
A six-panel figure: (a) a drawn connectivity graph of nine nuclear spins and two electron spins; (b) a scanning tunnelling micrograph of a silicon surface, with 10 nm scale bar, showing the patterned 4P and 5P donor registers and a single-electron-transistor sensor; (c)–(f) spectroscopy and plots of Rabi oscillations, coherence times and single-qubit benchmarking fidelities. It is Figure 1 of "An 11-qubit atom processor in silicon" by Edlbauer, Wang, Huq and co-authors. Notice the visible atomic rows: phosphorus donors are placed by hydrogen lithography with near-atomic precision. “Fig. 1 — Figure 1: Single-qubit characteristics of the 11-qubit atom processor. a, Connectivity of nuclear spins (n1n-n9n) and electron spins (e1e and…” by Hermann Edlbauer et al., arxiv.org/abs/2506.03567, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Fig. 1 — Figure 1: Schematic of the multi-donor qubit and spin readout sensor. a) P donors can be precision placed with ±0.385 0.385 nm accuracy in Si crysta…
A 3D schematic drawing, not a micrograph: two phosphorus donors in silicon holding an electron, surrounded by in-plane gates, source, drain and a single-electron-transistor (SET) charge sensor, plus potential-well sketches of the electron tunnelling to the SET. It is Figure 1 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 donor qubits; the caption notes donors placed with +/-0.385 nm accuracy by scanning-tunnelling-microscope lithography. “Fig. 1 — Figure 1: Schematic of the multi-donor qubit and spin readout sensor. a) P donors can be precision placed with ±0.385 0.385 nm accuracy in Si crystal and…” by S. Monir et al., arxiv.org/abs/2310.12656, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Fig. 5 — Figure S1: Basic operation of the 11-qubit atom processor via detuning gates. a, Scanning tunneling micrograph showing the core of the atom processo…
A two-panel figure. (a) A real scanning tunnelling micrograph (100 nm scale bar) of the processor core on silicon-28: two patterned gates, a single-electron-transistor (SET) charge sensor and the sites of two donor registers, 4P and 5P (four and five phosphorus atoms), each with one electron (e1, e2); (b) a measured charge-stability map versus the two gate voltages, with charge states, a detuning axis ε and the working point where an antenna drives electron and nuclear spin resonance (ESR, NMR). It is Figure S1 of 'An 11-qubit atom processor in silicon' by Hermann Edlbauer and co-authors. Gate voltages set the electron charge states of these atomically placed donors. “Fig. 5 — Figure S1: Basic operation of the 11-qubit atom processor via detuning gates. a, Scanning tunneling micrograph showing the core of the atom processor with the…” by Hermann Edlbauer et al., arxiv.org/abs/2506.03567, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
donor · слой 1 Носитель кубита · центральность 4.2 · продемонстрировано · с 2012 · обновлено 2026-09-30

Донорный спин (P в ²⁸Si)

Атомы фосфора, размещённые СТМ-литографией в обогащённом кремнии-28: связанный электрон даёт возбуждение и считывание, ядро ³¹P — долгоживущий кубит.

Вердикт. Самые высокие опубликованные повентильные точности в кремнии, но последовательная запись «атом за атомом» и единственный исполнитель ограничивают регистр одиннадцатью кубитами при отсутствии датированной схемы распараллеливания.

Ключевые источники

Λ = коэффициент подавления ошибки на шаг кодового расстояния; QBI = DARPA Quantum Benchmarking Initiative (Stage A — концепция → B — план НИОКР → C — государственная V&V); G1–G7 = классы целей отчёта (см. «Участники и экономика»).

Сущность и происхождение

Одиночный донор ³¹P, размещённый атом за атомом в обогащённом ²⁸Si: связанный электрон даёт возбуждение и спин-зарядовое считывание, ядро ³¹P со спином 1/2 — память. Вентили над ядерными кубитами внутри регистра выполняются через их сверхтонкую связь с общим электроном; регистры связываются между собой электронным обменом D[192]. Архитектуру предложил Kane в 1998 году; группа Simmons в UNSW построила первое устройство с детерминированно размещённым одиночным донором в 2012 году D[357]; SQC, её спин-офф 2017 года, по состоянию на 4 сентября 2026 г. остаётся единственным, кто работает на уровне приборов.
Атрибуты: естественная примесь при инженерно заданном размещении, неподвижная, детерминированное запутывание около 1 µs; спин-зарядовое считывание ~10 µs, неразрушающее и пригодное к внутрисхемному применению; паулиевская ошибка; изготовление на сканирующем туннельном микроскопе (СТМ), фабричного эквивалента нет.

Физика и пределы

Кубит здесь — ядро, а не локализованный электрон: орбитальной степени свободы нет, а значит нет и связи с зарядовым шумом в первом порядке — того самого члена, который держит точки, задаваемые затворами, на плато 99.0–99.6%. Но всякая операция идёт через тот единственный электрон, который с зарядовым шумом как раз связан и который одновременно служит элементом связи, зондом считывания и главным источником ошибки; бюджет задаётся дефазировкой электрона за время импульса, обусловленного сверхтонким расщеплением, а не когерентностью ядра. T₂ этого электрона определяется остаточным ²⁹Si и заращённой СТМ-границей раздела. Более острое остриё этот пол не сдвинет: обмен меняется с расстоянием экспоненциально, поэтому донор, промахнувшийся на несколько nm, даёт мёртвый регистр.

Достигнутый инженерный уровень

таблица
Год Показатель Кто Тег
2012 Первое устройство с детерминированно размещённым одиночным донором UNSW D[357]
2025-12-17 11 кубитов (9 ядерных, 2 электронные анциллы), вентили 99.10–99.99%, состояние Белла до 99.5%, GHZ по восьми ядрам SQC D[192]

Доминирующий член: размер регистра и вентиль через электрон-посредник. Единственная цифра «99.90% для донорного ядерного CZ» из основного отчёта из этой работы не вычленяется D[192].

Точность CZ на ядерных спинах доноров 99.90% невозможно выделить из [192], чей препринт даёт 99.5–99.99%, а опубликованная версия — 99.10–99.99%; точность — это диапазон. Не опубликовано: выход размещения доноров или стоимость одного донора — ни одним участником; сумма инвестиций Firgun Ventures и разбивка общей суммы NRFC в A$60 M на два транша; какое-либо заявление SQC о последствиях приобретения SkyWater компанией IonQ.

Производство, материалы и цепочка поставок

Процесс последователен по самому своему устройству: одно остриё, один узел, так что производительность измеряется в кубито-часах, а не в пластино-часах; параллельная экспозиция не опубликована. Обогащённый ²⁸Si по состоянию на 4 сентября 2026 г. имеет двух поставщиков — линия ASP Isotopes в Претории с 2025-03 и силан US DOE с чистотой 99.9999% по ²⁸Si с 2026-07-16 P[348], — так что исходное сырьё ограничением не является. Поставщики: SkyWater — резонаторы в США C[276], Bluefors — криогеника C[358]. Единая точка отказа в 2026 году сместилась: IonQ 2026-07-31 закрыла покупку SkyWater примерно за USD 1.8 B G[19], и единственный поименованный производственный маршрут SQC в США оказался внутри конкурента. Экспортная уязвимость лежит в сырье, а не в машине: правило США от 2024-09-06 ввело экспортные классификационные номера (ECCN) для изотопно обогащённых кремния и германия — кремний подпадает под них, если в нём менее 0.08% изотопа ²⁹Si, обладающего ядерным спином, — в виде эпитаксиальных слоёв (3C907), гидридов вроде силана (3C908) и объёмного материала или оксида (3C909), так что ²⁸Si кубитного качества сам является контролируемым товаром; ECCN того же правила для квантовых компьютеров, 4A906, начинается с 34 кубитов и ниже 2 000 действует лишь при ошибке двухкубитного вентиля (C-NOT) ниже потолка, заданного для каждого диапазона размеров, так что регистр на одиннадцать кубитов под него не попадает G[301]. Стена здесь не разводка, а шаг записи.

Роль в стеке

Архитектура: донорные спины в кремнии, где он основной носитель. Требует водородной СТМ-литографии; предоставляет носитель для обменных связей и спин-зарядового считывания; замещает точки, задаваемые затворами, ценой всего маршрута техпроцесса. Его вклад в такт ничем не выделяется — вентили микросекундного масштаба и считывание ~6 µs совпадают со спинами в точках, так что сумма раунда синдрома: слои вентилей + транспорт + считывание + сброс равна 7.7 µs против их 8.5 µs, а настоящее узкое место есть производственная величина, которую такт выразить не в состоянии. Верификация: одна группа, одно устройство, воспроизведения нет, три несогласованные формулировки точности (fidelity) D[192].

Участники и экономика

Кто.
| Организация | Роль | Страна | Что именно делает с технологией | Свидетельство |
|---|---|---|---|---|
| SQC | разработчик | Австралия | Единственный изготовитель донорных структур на СТМ, 11-кубитный процессор | D[192] |
| SkyWater Technology | поставщик | США | Резонаторы, корпусирование | C[276] |
| IonQ | поставщик | США | Владеет SkyWater с 2026-07-31 | G[19] |

Деньги. 2025-11-06 · SQC · грант QBI Stage B · до USD 15 M · DARPA · присуждён факт. 2026-03-24 и 2026-06-11 · SQC · вхождение в капитал · A$60 M суммарно · Australia's NRFC · закрыто факт. 2026-07-31 · IonQ · приобретение поставщика SkyWater · ~USD 1.8 B · закрыто G[19].

Рынок и цепочка поставок. Установку для размещения атомов на СТМ на рынке никто не продаёт: актив SQC — это ноу-хау, поэтому второй источник купить негде. ²⁸Si — единственный вход с двумя поставщиками P[348]; стоимость в расчёте на один донор не публикуется. Работает на G2 и G3 по точности, а не по числу кубитов.

Интеллектуальная собственность и стандарты. Базовые патенты восходят к линии UNSW/Simmons; датированного подсчёта семейств по поименованной базе по состоянию на 4 сентября 2026 г. нет.

Дорожные карты и послужной список. SQC (2026-06 · коммерческий масштаб к 2033 Rфакт · не выполнено; 11 кубитов — опубликованный максимум). Компания выполняет то, что публикует, но 2033 год предполагает схему распараллеливания, отсутствующую в литературе, — это скорее нефальсифицируемо, чем агрессивно.

Стратегическое прочтение. Если донорные спины и победят, то победят как прецизионный регистр, приболченный к фабричному массиву точек, и SQC достанется от этого немного: ей принадлежит процесс записи, а не пластина. Острый риск: её поставщиком корпусирования в США владеет конкурент.

Перспективы и открытые вопросы

Подтвердить/понизить (12–24 месяца): устройство более чем на 11 кубитов или датированная схема параллельной записи — подтверждают; молчание до конца 2028 понижает технологию до физического стенда. В лучшем случае к 2029: несколько десятков донорных кубитов выше 99.5%. В худшем случае: одиннадцать так и остаётся рекордом. Открыто: (1) поддаётся ли распараллеливанию формирование рисунка по водородному резисту; (2) сохранит ли новый владелец SkyWater эти отношения; (3) профинансирует ли SQC этап QBI Stage C; (4) каково распределение выхода годных по размещению.

Литература
  1. [19] IonQ, “IonQ Completes Acquisition of SkyWater Technology,” Jul. 31, 2026. [Online]. Available: https://www.ionq.com/news/ionq-completes-acquisition-of-skywater-technology [G]
  2. [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]
  3. [276] Silicon Quantum Computing, “SkyWater x SQC: Advancing Hybrid Quantum-Classical Computing,” Nov. 20, 2025. [Online]. Available: https://sqc.com/news/skywater-and-sqc-advancing-hybrid-quantum-classical-computing [C]
  4. [301] US Department of Commerce, Bureau of Industry and Security, “Commerce Control List Additions and Revisions; Implementation of Controls on Advanced Technologies Consistent With Controls Implemented by International Partners,” Federal Register, vol. 89, p. 72926, Sep. 6, 2024. [Online]. Available: https://www.federalregister.gov/documents/2024/09/06/2024-19633/commerce-control-list-additions-and-revisions-implementation-of-controls-on-advanced-technologies [G]
  5. [348] U.S. Department of Energy, “DOE Advances Domestic Supply of Silicon, Germanium Isotopes for Quantum Computing,” HPCwire, Jul. 16, 2026. [Online]. Available: https://www.hpcwire.com/off-the-wire/doe-advances-domestic-supply-of-silicon-germanium-isotopes-for-quantum-computing/ [P]
  6. [357] M. Fuechsle et al., “A single-atom transistor,” Nat. Nanotechnol., vol. 7, no. 4, pp. 242–246, Apr. 2012, doi: 10.1038/nnano.2012.21. [D]
  7. [358] Silicon Quantum Computing, “Silicon Quantum Computing — News,” sqc.com. [Online]. Available: https://sqc.com/news/ [C]