СТМ-литография (доноры)

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

СТМ-литография (доноры) fab_stm

Остриё сканирующего туннельного микроскопа десорбирует водород с пассивированной поверхности Si(100), открывая одиночные площадки, фосфин легирует их, а эпитаксиальный кремний заращивает доноры — атомарно точно, последовательно и без фабричного эквивалента.

fab_stm · слой 10 Производство · продемонстрировано · с 2012

Открыть на карте

Атомно-точное размещение доноров P (~3 nm); штучно, последовательно, без фабричного пути.

Обзор →

Ключевые источники

[357] M. Fuechsle et al., “A single-atom transistor,” Nat. Nanotechnol., vol. 7, no. 4, pp. 242–… · 2012

[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: промежуточный / не зависящий от носителя
(b) время · запутывание: —
(c) считывание: —
(d) подвижность: —
(e) управление: —
(f) структура ошибки: стохастическая паулиевская
(g) производство: СТМ-литография

Пространство оценки — датированные атрибуты

register size → 11 qubits

определяет: число кубитов с учётом качества · 2025-12 · источник

~3 nm — неопределённость положения встроенного донора из-за сегрегации и диффузии при заращивании: ограничивающая стадия термическая, а не литографическая; ~1 nm не подтверждается.

Стандартные рекорды

выход годных → не опубликовано · лучшее

No placement yield: the 11-qubit donor register gives engineered geometry but not the fraction of sites with the intended donor count · 2025-12 · источник [D] ⓘ

разброс параметров → 0.077 · лучшее

SQC donor register: inter-register spacing 'atomically engineered' to 13(1) nm, i.e. ~8% placement spread; 1Q fidelities span 99.10-99.99% · 2025-12 · источник [D] ⓘ

Участники и цели — аннотации

Донорные спины в кремнии — SQC · G7

Рёбра

нужен для: Донорный спин (P в ²⁸Si)·

альтернативы: КМОП-фабрика 300 mm (спины, крио-КМОП, сверхпроводниковая разводка)

° одно из нескольких, что подошли бы · обычный маршрут, не строгая необходимость

Используют 1 машин (1 основная · 0 альтернатива)

полупроводниковые спины 1
11-qubit donor processor Silicon Quantum Computing статья пресса ▣ Fig. 1b (STM micrograph after hydrogen lithography); §Main (P atoms placed ≲3 nm apart) ✅

↗ 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/)

File:Scanning Tunneling Microscope schematic.svg — A coloured schematic drawing of a scanning tunnelling microscope: a sharp tip on a piezoelectric tube over a sample, a tunnelling-current amplifier feeding a distance-control and scanning unit, and an inset of the tip's apex atoms above the sample atoms. Drawn by Michael Schmid and Grzegorz Pietrzak (2020-04-16). The same instrument is used in hydrogen lithography to place single phosphorus donors in silicon for donor-spin qubits; the feedback loop holding the tunnelling current constant is what lets the tip resolve single atoms. “Scanning Tunneling Microscope schematic” by Michael Schmid and Grzegorz Pietrzak, commons.wikimedia.org/wiki/File:Scanning_Tunneling_Microscop…, CC BY SA 2.0 (creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

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/)

fab_stm · слой 10 Производство · центральность 1.7 · продемонстрировано · с 2012 · обновлено 2026-09-30

СТМ-литография (доноры)

Остриё сканирующего туннельного микроскопа десорбирует водород с пассивированной поверхности Si(100), открывая одиночные площадки, фосфин легирует их, а эпитаксиальный кремний заращивает доноры — атомарно точно, последовательно и без фабричного эквивалента.

Вердикт. Одиннадцать кубитов с атомарной точностью подтверждают физику; но при единственном исполнителе, отсутствии установки на рынке и неопубликованной схеме параллельной записи это остаётся штучным процессом, что бы ни утверждала цель на 2033 год.

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

Резистом служит поверхность Si(100), терминированная водородом. Остриё снимает водород с выбранных димеров электронно-стимулированной десорбцией; фосфин адсорбируется только на оголённом кремнии; отжиг встраивает фосфор в узлы решётки по механизму замещения; низкотемпературная эпитаксия заращивает результат. Формирование рисунка по водородному резисту старше своего кубитного применения на два десятилетия; группа Simmons в UNSW изготовила одноатомный транзистор в 2012 году D[357], а SQC, давшая маршруту имя PAQMan, — 11-кубитный процессор в 2025-м D[192].
Атрибуты: инженерно заданное размещение естественной примеси, ни подвижности, ни собственного шага управления, паулиевская ошибка после изготовления, класс производства без аналога в КМОП.

Физика и пределы

Полом здесь структурно является производительность: одно остриё посещает по одной площадке за раз, поэтому процесс масштабируется как O(N) по кубитам там, где фотолитография масштабируется как O(1) по пластинам. Совмещение в плоскости внутри окна десорбции близко к постоянной решётки, но конечное положение донора несёт ~3 nm неопределённости из-за сегрегации и диффузии при встраивании и заращивании: ограничивающий шаг тепловой, а не литографический. Настоящий размен — температура заращивания: достаточная для хорошей эпитаксии сдвигает доноры, а достаточно низкая, чтобы их заморозить, оставляет дефекты, дефазирующие электрон. Закон масштабирования меняет только параллельная экспозиция.

Достигнутый инженерный уровень

таблица

Год	Показатель	Кто	Тег
2012	Первый одноатомный транзистор на детерминированно размещённом доноре	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]факт

Доминирующий член: число изготовленных приборов. Каждое донорное устройство на сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) изготавливается поштучно; параллельного процесса не существует ни в каком масштабе, а распределение выхода годных по размещению не опубликовано.

Не опубликовано: первичное измерение распределения положений встроенных доноров, стоящее за точностью размещения ~3 nm; суммы инвестиции Firgun Ventures, соглашения со SkyWater и сотрудничества с AMD, а также разбивка общей суммы NRFC в A$60 M по траншам; схема распараллеливания размещения доноров с помощью СТМ — ни у SQC, ни у какой-либо другой группы; какое-либо заявление SQC о приобретении SkyWater компанией IonQ.

Производство, материалы и цепочка поставок

Установку для размещения доноров «под ключ» не продаёт никто: оборудование (СТМ в сверхвысоком вакууме, обращение с фосфином, эпитаксия) рыночное, а рецепт — нет, поэтому второй источник закупить негде. Исходное сырьё больше не в дефиците: обогащённый ²⁸Si от ASP Isotopes и, с 2026-07-16, силан US DOE с чистотой 99.9999% по ²⁸Si P[348]. SkyWater поставляет резонаторы и корпусирование в США (2025-11-20) C[276], а IonQ, поставщик конкурирующей платформы, 2026-07-31 закрыла приобретение SkyWater примерно за USD 1.8 B G[19] — самый острый риск поставок здесь. Экспортный контроль бьёт по сырью, а не по инструменту: СТМ-литографию не покрывает ни один экспортный классификационный номер (ECCN), но правило США от 2024-09-06 ввело 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), что охватывает и силан US DOE; 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 устройство на одиннадцать кубитов под него не попадает G[301]. Нагрузка при масштабировании неизвестна — устройств более чем на одиннадцать кубитов не существует.

Роль в стеке

Производственный слой архитектуры донорных спинов в кремнии: предоставляет носитель «донорный спин», а через него — регистры с вентилями по сверхтонкой связи и спин-зарядовое считывание; на шаге размещения замещает фабричный КМОП, разменивая производительность по пластинам на непревзойдённую точность позиционирования. Больше ничто в стеке его не требует — в этом и стратегическая слабость: дефект здесь нельзя обойти маршрутом, а прогресс в нём не даёт выигрыша ни одному другому узлу. Верификация: точности (fidelity) на 11 кубитах происходят из одной статьи единственной группы, практикующей этот процесс D[192] — второго изготовителя нет, а формулировок точности три: в препринте, в журнале и в основном отчёте.

Участники и экономика

Кто.
| Организация | Роль | Страна | Что именно делает с технологией | Свидетельство |
|---|---|---|---|---|
| SQC | разработчик | Австралия | Единственный практик СТМ-размещения доноров | D[192] |
| SkyWater Technology | поставщик | США | Резонаторы и корпусирование | C[276] |
| IonQ | поставщик | США | Владеет SkyWater с 2026-07-31 | G[19] |
| NVIDIA | поставщик | США | Межсоединение NVQLink, SQC среди 17 разработчиков | C[531] |
| AMD | поставщик | США | Аппаратура для управления кубитами и их считывания, вычислительные мощности для моделирования (сотрудничество объявлено 2026-04-07) | C[358] |

Деньги. 2025-11-06 · SQC · 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. 2026-06-11 · SQC · инвестиция · сумма не раскрыта · Firgun Ventures · объявлено C[358]. 2026-07-31 · IonQ · приобретение поставщика SkyWater · ~USD 1.8 B · закрыто G[19].

Рынок и цепочка поставок. Рынка нет: один оператор, рыночного процесса не существует. Стоимость одного размещённого донора не публикуется, поэтому юнит-экономику невозможно сверить с целью на 2033 год. Финансирует G2 и G3; для G4 нужно распараллеливание, которого нет.

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, и размещение с атомарной точностью не покрыто ни одним стандартом.

Дорожные карты и послужной список. SQC (2026-06 · коммерческий масштаб к 2033 Rфакт · не выполнено, опубликовано одиннадцать кубитов). «Непрерывное масштабирование» и «миллион кубитов» фигурируют в материалах компании без опубликованного механизма C[358], так что цель скорее нефальсифицируема, чем амбициозна.

Стратегическое прочтение. Если схема параллельной записи появится, десятилетие накопленного знания рецептов сложится в настоящий защитный ров. Без неё та самая точность, которая делает процесс привлекательным, его же и ограничивает, а стоимость мигрирует к тому, кто встроит доноры в фабричный маршрут.

Перспективы и открытые вопросы

Подтвердить/понизить (12–24 месяца): датированный анонс параллельного изготовления или устройство более чем на одиннадцать кубитов подтверждают наличие пути за пределы штучного масштаба; отсутствие того и другого к 2028 году понижает технологию до физического инструмента. В лучшем случае к 2029: свыше пятидесяти доноров с опубликованным выходом годных. В худшем случае: возможность, замкнутая на одну лабораторию. Открыто: (1) осуществима ли экспозиция несколькими остриями или по шаблону; (2) сохранит ли новый владелец SkyWater эти отношения; (3) опубликует ли кто-нибудь распределение выхода годных по размещению.

Литература

[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]
[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]
[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]
[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]
[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]
[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]
[358] Silicon Quantum Computing, “Silicon Quantum Computing — News,” sqc.com. [Online]. Available: https://sqc.com/news/ [C]
[531] NVIDIA, “NVIDIA Introduces NVQLink — Connecting Quantum and GPU Computing for 17 Quantum Builders and Nine Scientific Labs,” Oct. 28, 2025. [Online]. Available: https://nvidianews.nvidia.com/news/nvidia-nvqlink-quantum-gpu-computing [C]