Обменный вентиль (спины; вкл. CZ на переносимых спинах) g_exch

Импульс напряжения понижает туннельный барьер между двумя соседними спинами в квантовых точках или на донорах, включая гейзенберговский обмен J на заданное время и реализуя запутывающий вентиль семейства SWAP; ничего не излучается, поэтому не нужны ни антенна, ни лазер, ни резонатор. Лосс и ДиВинченцо предложили на этой основе спиновые кубиты в 1998 г.; DiVincenzo, Bacon, Kempe, Burkard и Whaley показали в 2000 г., что одного обмена достаточно для универсальности ценой ~3× большего числа кубитов и ~10× большего числа двухкубитных операций — на этом кодировании и строится HRL S[416]. Вариант с переносом (shuttling) перемещает один электрон конвейерным потенциалом в зону обмена с удалённым партнёром.
Атрибуты: полностью изготавливаемый носитель; детерминированное запутывание за ≈10⁻⁷ s (~100 ns), по умолчанию статическая связь ближайших соседей.
Управление напряжением в основной полосе, из комнатной температуры, но со сдвигом в криогенику; ошибки — когерентные, паулиевские, утечка (leakage); производство — КМОП.

J растёт экспоненциально по мере понижения барьера и перестраивается электрически от почти нуля до десятков MHz; время вентиля идёт как 1/J — поэтому измеренные вентили попадают в 58–500 ns при обмене 10–90 MHz. Экспонента же и является уязвимостью: тот самый рычаг, который делает J большим, делает большим и δJ/J при шуме напряжения на затворах и зарядовых ловушек, так что существует рабочая точка, а не максимум: поднимешь J — вентиль дефазирует зарядовый шум, опустишь — дефазирует удлинившийся импульс. Отсюда и вывод HRL: примерно 80% двухкубитной ошибки — это внешнее управление и калибровка, а не декогеренция D[190]. Ниже лежат остаточная ванна ²⁹Si, зарядовый шум 1/f на границе с оксидом и малое долинное расщепление, из-за которого утечка становится ошибкой первого класса. Чтобы сдвинуть нижний предел, нужны обогащение по ²⁸Si, лучшие границы раздела и контроллер, не пропускающий шум 1/f на барьерные затворы.

Лучший обменный вентиль: CNOT на чистом обмене у HRL — 9×10⁻⁴ в лучшем воспроизводимом случае, 3×10⁻³ в среднем по 18 кубитам, образованным из 54 точек, среднее по однокубитным 2×10⁻⁴; последовательность задаёт контроллер при 4 K на коммерческом 130 nm RF КМОП D[190]. На фабричном масштабе Diraq и imec сообщают о двухкубитных 99.04–99.56% и точности приготовления и измерения (SPAM) 99.9% на 300 mm SiMOS D[189]. Вариант с переносом добавляет проверку чётности веса четыре с 97.7% на цикл 1.2 µm «туда и обратно», причём движение и простой дают около четверти её ошибки D[349]. 11-кубитное донорное устройство SQC устроено иначе: ядерные спины, связанные сверхтонким взаимодействием с общим электроном, регистры соединены обменом D[192]. Ничто крупнее восьми кубитов не публикует точность по всем парам.

Ему нужны только электроды затворов и импульсы напряжения, поэтому он едет на существующих линиях: Intel 300 mm EUV (>24 000 приборов на пластину D[199]; 96% выхода годных при настройке на 232 приборах одной пластины D[766]), imec 300 mm, GlobalFoundries 22FDX, STMicroelectronics FD-SOI. Значимы две концентрации: GlobalFoundries свела эту модальность в одно бизнес-подразделение под письмом о намерениях CHIPS на USD 375 M C[353], а стек управления Quantum Machines стоит под Diraq, HRL, imec, Equal1, Sandia и британским NQCC C[449]. Экспортная уязвимость прямая: правило BIS от 2024-09-06 ввело ECCN 3A901.a для КМОП-схем, спроектированных для работы при 4.5 K и ниже, — это проверка по замыслу конструкции, поэтому сам проектный файл крио-КМОП-контроллера типа HRL уже подпадает под контроль G[301].

Двойная квантовая точка требует примерно 4–6 каналов основной полосы, поэтому при управлении из комнатной температуры разводка растёт быстрее числа кубитов; ответ HRL — 296 линий и 366 ЦАП внутри криостата при ≤3.5 W и без петли реального времени при комнатной температуре D[190]. Такт задаёт считывание, а не вентиль: 1–100 µs против вентиля в 58–500 ns. При 10³ кубитах разветвление из комнатной температуры непрактично без криогенной интеграции; при 10⁴–10⁶ кроссбар-схемы, сокращающие число проводов, сталкиваются с необходимостью калибровать каждую обменную пару отдельно — неразрешённый архитектурный конфликт этого механизма.

Он запутывает два семейства: спины в кремниевых и германиевых квантовых точках (Intel, Diraq, Quantum Motion, HRL под IBM, Quobly, Equal1) и донорные спины (SQC). Требует квантовой точки, формируемой затворами, или донора плюс управления в основной полосе и предоставляет слой запутывания, на котором оба семейства строят коды: у HRL это повторяющий код расстояния 5 с Λ(5/3) = 4.7 на 200 раундах, который детектирует только перевороты бита (bit-flip) и потому не является подпороговым результатом для полноценного кода, плюс [[4,2,2]] с постселекцией и логической точностью 0.95 D[190]. Он конфликтует с кроссбар-адресацией, поскольку калибровка идёт попарно. Производный раунд — 8.5 µs на спинах в точках и 7.7 µs на донорах, ограничен считыванием, против обычно достигаемых ~100–300 µs: узкое место — не вентиль. Соседний пустой слот: результат по всем парам на одном чипе крупнее восьми кубитов.

Ключевые цифры HRL и 80-процентная доля калибровки сообщены самим разработчиком и не воспроизведены D[190]. 99.04–99.56% у Diraq и imec — это статистика по популяции фабричных приборов, а не результат по всем парам на одном чипе; восьмикубитное устройство imec подтверждает обмен на одной паре из четырёх D[197]. Обзорный материал Nature о спиновых кубитах от июля 2026 г. был исправлен 2026-08-04 с пересмотром однокубитных уровней ошибок, приписанных HRL и QuTech P[450]. Подпороговой логической памяти по состоянию на 2026-09-04 не существует ни на одной спиновой платформе.

Точности SQC в [192] — 99.5–99.99% с белловскими состояниями выше 99% в аннотации на arXiv и 99.10–99.99% с белловскими до 99.5% в версии Nature; единственное значение 99.90% для донорного ядерного CZ из основного отчёта в аннотации отсутствует. Суммарно привлечённое Diraq («>USD 100 M») взято из отраслевой прессы, а не из релиза компании. Не опубликовано: финансовые условия приобретения HRL компанией IBM и датированный подсчёт патентных семейств по обменным вентилям.

Деньги.

• 2025-11-06 · DARPA · QBI Stage B · ≤USD 15 M каждому · Diraq, Quantum Motion, SQC из одиннадцати · присуждено G[65]
• 2026-05-07 · Quantum Motion · раунд серии C · USD 160 M · DCVC, Kembara · закрыто C[355]
• 2026-05-21 · Diraq · письмо о намерениях CHIPS · до USD 38 M · Минторг США · LOI, а не присуждение G[300]
• 2026-08-26 · IBM · M&A, HRL Laboratories · условия не раскрыты · закрыто C[204]

Рынок и цепочка поставок. Ни лазеров, ни вакуума: оборудование — это линия КМОП плюс электроника основной полосы, поэтому цепочка поставок сводится к четырём фабричным линиям и одному поставщику средств управления — одновременно аргумент по стоимости и риск концентрации. «<USD 1 за кубит к 2031 г.» у Diraq — это цель, а не себестоимость R[211]. Продаются устройства уровня G1 и G2; покупка со стороны IBM — ставка на то, что механизм дотянет до G3 и G4.

Интеллектуальная собственность и стандарты. Основополагающие результаты — Лосса–ДиВинченцо 1998 г. и универсальность на одном обмене 2000 г. S[416] — опубликованы и не являются проприетарными, поэтому защитимая ИС лежит в геометрии приборов, криогенном кремнии управления и калибровочном ПО. Датированного подсчёта патентных семейств именно по этому вентилю по состоянию на 2026-09-04 не найдено.

Дорожные карты и послужной список. Diraq (обещано 2026-08-27 · 150 k физических, 1 k логических к 2029 г. · шестью неделями ранее та же компания говорила о «тысячах к 2029 г.») R[211] — непоследовательно. Intel (обещано 2026-01 · масштабирование Tunnel Falls до «сотен точек» · датированного продолжения нет) C[207] — не поддаётся оценке. IBM (обещано 2026-07-23 · закрытие сделки по HRL к концу Q3 2026 · закрыто 2026-08-26) C[10], [204] — выполнено.

Стратегическое прочтение. Если обменные вентили дойдут до отказоустойчивой точности, выигрывают фабрики и тот, кому принадлежит криогенный контроллер, — кубит становится опцией техпроцесса, а не продуктом, — а проигрывают платформы, у которых база издержек это оптика и вакуум. Покупка со стороны IBM превращает HRL в спиновую программу гиперскейлера и заставляет Diraq, Quantum Motion и Quobly конкурировать балансом. Если калибровочная нагрузка сохранится, спины останутся диковинкой уровня G1/G2.

Фальсифицируемо в течение 12–24 месяцев: подтвердить/понизить, что фабричное устройство опубликует точность по всем парам крупнее восьми кубитов и что IBM поставит датированную спиновую веху в публичную дорожную карту. В лучшем случае к 2029 г.: криогенно секвенируемый фабричный чип показывает подпороговую логическую память с полноценным кодом. В худшем случае: однородность упирается в потолок за десятью кубитами, и дорожные карты остаются на два порядка впереди железа. Открыто: может ли калибровочная ошибка снижаться без импорта собственного бюджета ошибок контроллера; вытеснит ли CZ с переносом статический обмен; что IBM сделает с кремнием HRL.