← Quantum Technology AtlasТехнологии · Машины · Архитектуры · ОрганизацииEnglishעברית

Кодирование на одиночном спине (Лосса–ДиВинченцо) / ядерном спине enc_spin_ld

Один кубит на спин-1/2 — локализованный электрон, дырка или ядро — без кодированного подпространства, что даёт минимальную занимаемую площадь и отсутствие канала утечки (leakage).

Кодирование на одиночном спине (Лосса–ДиВинченцо) / ядерном спине

enc_spin_ld · слой 2 Кодирование · продемонстрировано · с 1998
Открыть на карте

«Голый» спин-1/2 электрона, дырки или ядра; для однокубитных вентилей нужны СВЧ/EDSR.

Обзор →

Ключевые источники

[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

Пространство проектирования — атрибуты

(a) сродство носителя
гибридный (искусственная матрица)
(b) время · запутывание
—
(c) считывание
—
(d) подвижность
—
(e) управление
—
(f) структура ошибки
когерентная / калибровочная, стохастическая паулиевская
(g) производство
—

Пространство оценки — датированные атрибуты

нет датированных атрибутов

Участники и цели — аннотации

Кремниевые / германиевые спины в квантовых точках — Intel, Diraq, Quantum Motion, HRL→IBM, QuTech/Groove, Quobly, Equal1 · G4 G7
Донорные спины в кремнии — SQC · G7
Спины центров окраски — узлы сети (NV/SiV/T) — QuTech/Fujitsu, Harvard, Photonic Inc, Quantum Brilliance · G6

Рёбра

нужно: Спин в квантовой точке, формируемой затворами (Si/SiGe, SiMOS, Ge)°, Донорный спин (P в ²⁸Si)°, Центр окраски / спин дефекта (NV, SiV, SnV, T-центр)°
альтернативы: Чисто обменное / синглет-триплетное спиновое кодирование
° одно из нескольких, что подошли бы · обычный маршрут, не строгая необходимость

Используют 14 машин (14 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: 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 · слой 2 Кодирование · центральность 5.5 · продемонстрировано · с 1998 · обновлено 2026-09-30

Кодирование на одиночном спине (Лосса–ДиВинченцо) / ядерном спине

Один кубит на спин-1/2 — локализованный электрон, дырка или ядро — без кодированного подпространства, что даёт минимальную занимаемую площадь и отсутствие канала утечки (leakage).

Вердикт. Кодирование по умолчанию на всех кремниевых, германиевых, донорных и дефектных платформах; оно покупает минимальную площадь и чистую паулиевскую модель ошибок ценой резонансного возбуждения на каждый кубит.

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

Один физический спин-1/2 — это один кубит: электрон или дырка в точке, задаваемой затворами, либо ядро, связанное с донором или дефектом. Лосс и ДиВинченцо изложили это в 1998 году — спины электронов, локализованных в точках, повороты локальным резонансным полем, двухкубитные вентили импульсным обменом D[819]. Ядерный вариант возбуждает ядро ³¹P или ядро дефекта радиочастотой через сверхтонкую связь с электроном, разменивая скорость на когерентность: ядра как данные, электроны как анциллы. Атрибуты: сродство — почти естественный носитель без составной структуры; ошибка — когерентная дефазировка плюс паулиевская ошибка, подпространства утечки нет, собственной модальности управления или собственного производства нет.

Физика и пределы

Вычислительное пространство — это вся двухуровневая система: утекать наружу нечему, поэтому всякая ошибка паулиевская или когерентная, как и предполагают коды, — но и отфильтровать при этом тоже нечего. T2* задаётся остаточной сверхтонкой связью с ²⁹Si и зарядовым шумом, превращённым в сдвиг частоты через g-фактор или микромагнит; очистка до ²⁸Si убирает первый член. Сегодня ограничивает не когерентность: безмикроволновый массив QuTech даёт для своего вентиля на перескоке границу ≥99.50(6)% D[820], а двухкубитные вентили фабричного изготовления держатся на 99.04–99.56% D[189] — это плато, ограниченное калибровкой, а не пределом по T2. Более глубокая очистка, управление в основной полосе частот (baseband) и холодная калибровка сдвигают этот пол.

Достигнутый инженерный уровень

таблица
Год Показатель Кто Тег
2025-07-01 ≥99.50(6)% для вентиля на перескоке (нижняя граница), без микроволн, массив 2×2 QuTech/TU Delft D[820]
2025-09-24 99.04–99.56% для двухкубитного вентиля на 300 mm фабричном SiMOS Diraq D[189]
2025-12-17 Донорный регистр из 11 кубитов, 9 ядерных плюс 2 электронных, 99.10–99.99% Silicon Quantum Computing D[192]

Доминирующий член: дрейф калибровки по массиву; ни одно устройство свыше 12 кубитов не публикует точностей (fidelity) по всем парам.

Точность CZ на ядерных спинах доноров 99.90% невозможно выделить в аннотации SQC, опубликованный диапазон которой — 99.10–99.99%. Заявление Intel о «масштабировании до сотен точек» не содержит ни даты, ни контрольной точки.

Производство, материалы и цепочка поставок

Кодирование не добавляет никакой структуры — одна точка или один донор на кубит, примерно треть от числа точек, нужных чисто обменному кубиту, — и наследует техпроцесс носителя: 300 mm EUV-линия Intel с >24 000 приборов на пластину D[199] и 96% выхода годных по настройке на 232 приборах одной пластины D[766], а также 22FDX, FD-SOI и 300 mm от imec. Нагрузка, которую оно накладывает, — управляющая: одно резонансное возбуждение на каждую кубитную частоту, поэтому на 10³ кубитах стеной становится теснота по частоте и микроволновая мощность при милликельвинах, а на 10⁴–10⁶ — число адресуемых тонов.

Роль в стеке

Базовое кодирование для архитектуры «спины на квантовых точках кремния и германия», донорной архитектуры и сетевых узлов на спинах дефектов. В части конструкций его заменяет чисто обменное кодирование — это и есть центральная развилка: микроволновая аппаратура ради минимальной площади и отсутствия утечки против лишних точек ради управления только в основной полосе частот и появляющегося канала утечки. К производному такту = сумма раунда синдрома: слои вентилей + транспорт + считывание + сброс оно ничего не добавляет; на кремнии тот остаётся определяемым считыванием на уровне 8.5×10⁻⁶ s. Верификация: 99.50(6)% — это нижняя граница, а сопровождающие её ~49 µs по эху Хана — максимум, и то и другое регулярно перецитируется как точечные оценки D[820]; «99.90% для донорного ядерного CZ» из основного отчёта противоречит опубликованному диапазону SQC D[192]; а однокубитная ошибка HRL 2×10⁻⁴ относится к чисто обменному кодированию, а не к этому D[190].

Участники и экономика

Кто.
| Организация | Роль | Страна | Что именно делает с технологией | Свидетельство |
|---|---|---|---|---|
| Intel | разработчик | США | Приборы с одиночными спинами на 300 mm EUV | D[199] |
| Diraq | разработчик | Австралия | Электронные спины на 300 mm SiMOS от imec | D[189] |
| QuTech/TU Delft | исследования | Нидерланды | Безмикроволновое управление в основной полосе частот | D[820] |
| Silicon Quantum Computing | разработчик | Австралия | Кодирование в ядерных спинах на донорах | D[192] |
| Quobly | разработчик | Франция | Одиночные спины на FD-SOI от STMicroelectronics | Cфакт |

Деньги. 2026-06-03 · Quobly · раунд серии A · €115 M · Bpifrance, SEALSQ, STMicroelectronics · €134 M накопленным итогом · закрыт Cфакт. 2026-06 · SQC · NRFC · A$60 M · Australia's National Reconstruction Fund · закрыт факт.

Рынок и цепочка поставок. Специфичного именно для этого кодирования поставщика нет — это выбор топологии и импульсной последовательности на общих КМОП-линиях, — а его единственное отличительное требование, резонансное возбуждение на каждый кубит, и есть то, что продаёт дуополия управляющей электроники. Работает на G2, G3 и G6.

Интеллектуальная собственность и стандарты. Предложение 1998 года — уровень техники, срок патентной охраны которого давно истёк D[819]; датированного патентного семейства по кодированию в одиночном спине в поименованной базе по состоянию на 4 сентября 2026 г. не найдено.

Дорожные карты и послужной список. Intel (2026-01-06 · 12 кубитов в Argonne, «масштабировать до сотен точек» · чипа-преемника нет, датированной дорожной карты нет) факт. Diraq (2026-08-27 · 150 k физических, 1 k логических к 2029 · в релизе от 2026-07-09 говорилось «тысячи к 2029») Rфакт. И то и другое на порядки превосходит любое продемонстрированное устройство.

Стратегическое прочтение. Откатиться к нему может любая спиновая команда, поэтому оно никого не выделяет: стоимость оседает на фабрике и в управляющем стеке. Если управление в основной полосе частот созреет, микроволновые поставщики лишатся своего сильнейшего аргумента; если победят кодированные кубиты, площадь будет значить меньше, чем экономика пластины.

Перспективы и открытые вопросы

Подтвердить или понизить в статусе за 12–24 месяца: точности по всем парам на более чем 12 кубитах; управление в основной полосе частот за пределами массива 2×2. В лучшем случае к 2029: управление в основной полосе частот вместе с работой при 1 K снимает большую часть микроволнового ввода-вывода при двухкубитной точности >99.5%. В худшем случае: плато сохраняется. Открыто: (1) масштабируется ли управление вентилем на перескоке дальше четырёх кубитов; (2) обобщается ли диагноз «ограничено калибровкой»; (3) какая платформа покажет логический кубит ниже порога.

Литература
  1. [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]
  2. [190] Members of the HRL Quantum Team and Collaborators, “A digitally controlled silicon quantum processing unit,” arXiv:2604.16216, Apr. 2026. [D]
  3. [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]
  4. [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]
  5. [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]
  6. [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]
  7. [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]