СВЧ / оптические спиновые вентили (центры окраски, однокубитные спины)

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

СВЧ / оптические спиновые вентили (центры окраски, однокубитные спины) g_mwspin

Резонансный микроволновый поворот электронного спина дефекта, поворот соседних ядер, обусловленный сверхтонкой связью, и оптические импульсы для инициализации и считывания.

g_mwspin · слой 3 Механизм вентиля · продемонстрировано · с 2004

Открыть на карте

Вращения на ESR/EDSR и сверхтонко-условные вентили; ошибка < 0.1% на регистрах NV электрон+ядро.

Обзор →

Ключевые источники

[208] M. Swayne, “Fujitsu And QuTech Realize High-Precision Quantum Gates,” The Quantum Insider,… · 2025

[359] J. Fischer et al., “Spin-photon correlations from a Purcell-enhanced diamond nitrogen-vaca… · 2025

[360] M. Iuliano et al., “Unconditionally teleported quantum gates between remote solid-state qu… · 2026

[888] Y.-C. Zhou et al., “High-fidelity geometric quantum gates exceeding 99.9% in germanium qua… · 2026

[823] Oak Ridge National Laboratory, “Quantum Brilliance, ORNL pioneer quantum-classical hybrid … · 2025

Пространство проектирования — атрибуты

(a) сродство носителя: промежуточный / не зависящий от носителя
(b) время · запутывание: 1.0 µs · детерминированное
(c) считывание: —
(d) подвижность: статическая разводка ближайших соседей
(e) управление: СВЧ @ комнатная
(f) структура ошибки: стохастическая паулиевская, когерентная / калибровочная
(g) производство: выращивание алмаза / имплантация

Пространство оценки — датированные атрибуты

NV 1Q/2Q (GST) → < 0.1% [P] — press release only, no primary paper

определяет: канал ошибок · 2025-03 · источник

Значение «< 0.1%» от Fujitsu/QuTech цитируется по пресс-релизу [P], который называет статью в Phys. Rev. Applied (2025-03-21), нами пока не найденную.

Стандартные рекорды

время однокубитного вентиля → не опубликовано · типичное

1Q durations are recorded on the carriers instead: qd_spin ~400 ns EDSR, defect 419-2,371 us nuclear gates · 2019-05 · источник [D] ⓘ

ошибка двухкубитного вентиля при параллельной работе всей ширины → не опубликовано · типичное

The '<0.1%' NV gate figure (QuTech/Fujitsu, March 2025) is a press-release number for single gates; no parallel or simultaneous multi-qubit measurement is published · 2025-03 · источник [P]

перекрёстные помехи → не опубликовано · типичное

No crosstalk figure for NV or spin microwave gates in any primary source opened · 2019-05 · источник [D] ⓘ

Участники и цели — аннотации

Спины центров окраски — узлы сети (NV/SiV/T) — QuTech/Fujitsu, Harvard, Photonic Inc, Quantum Brilliance · G6

Кремниевые / германиевые спины в квантовых точках (альтернатива) — Intel, Diraq, Quantum Motion, HRL→IBM, QuTech/Groove, Quobly, Equal1 · G4 G7

Донорные спины в кремнии (альтернатива) — SQC · G7

Рёбра

нужно: Центр окраски / спин дефекта (NV, SiV, SnV, T-центр)°, Спин в квантовой точке, формируемой затворами (Si/SiGe, SiMOS, Ge)°, Донорный спин (P в ²⁸Si)°, Электрическое управление в основной полосе частот (спины, майораны)°, Электроника при комнатной температуре + коаксиальный / гибкий кабель на кубит°

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

Используют 5 машин (5 основная · 0 альтернатива)

спины дефектов 5
Diamond-spin quantum computer prototype Fujitsu (with TU Delft and QuTech) пресса ▨ Overview of developed technologies: quantum circuit conversion for the diamond spin approach ✅
Entanglement First modules Photonic Inc. статья страница продукта страница продукта ▣ Fig. 4B,D (MW/RF Rabi; π rotation = C_HNOT_e / C_eNOT_H); Fig. 8 (teleported CNOT) ✅
Quoll / QB-QDK 2.0 Quantum Brilliance пресса ▨ ✅
QC2026 Dual Core SaxonQ пресса ▦ 🔎
SXQ4 SaxonQ страница продукта ▦ technology paragraph ('Spin states are initialised and read out optically, then steered with microwave-frequency gates') ✅

↗ 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 — Fig. 1: Device and measurement protocol of the 18-qubit modular array. a, False-colored scanning electron microscope image of the 18-qubit device. O… — A composite figure: a false-coloured scanning electron micrograph of an 18-qubit gate-defined quantum-dot array (100 nm scale bar), plus charge-stability maps and calibration plots. It is Fig. 1 of "Simultaneous operation of an 18-qubit modular array in germanium" by J.J. Dijkema, N.W. Hendrickx and colleagues. Each spin qubit sits under a blue plunger gate, with red barrier gates tuning the coupling between neighbours; the arrowed panels show the tune-up chain, from charge stability and Pauli spin blockade to Rabi and two-qubit spectroscopy. “Fig. 1 — Fig. 1: Device and measurement protocol of the 18-qubit modular array. a, False-colored scanning electron microscope image of the 18-qubit device. Ohmic…” by J.J. Dijkema et al., arxiv.org/abs/2604.01063, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 2 — Fig. 2: Statistical analysis of single-qubit coherence and gate fidelities across the array. a, Chevron pattern measurements for all 18 spin-qubits,… — A data figure for 18 spin qubits in gate-defined germanium quantum dots. (a) Rabi chevrons, one colour map per qubit: spin-flip probability versus drive frequency (about 200–370 MHz across the array) and number of rotations; (b) grids of each qubit's driving efficiency and g-factor (0.29–0.51); (c)–(e) distributions across the array of dephasing time T2* (average 6.2 µs), coherence time T2 under CPMG decoupling, and single-qubit gate error (average fidelity near 99.8%). It comes from Dijkema, Zhang, Hendrickx and co-authors, 'Simultaneous operation of an 18-qubit modular array in germanium'; all were measured without changing the dc voltage settings. The g-factor spread gives each qubit its own drive frequency. “Fig. 2 — Fig. 2: Statistical analysis of single-qubit coherence and gate fidelities across the array. a, Chevron pattern measurements for all 18 spin-qubits, showing…” by J.J. Dijkema et al., arxiv.org/abs/2604.01063, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 1 — Fig. 1: A 2 × 2 silicon spin qubit array.a Design schematic and false colored SEM image of a device nominally identical to the one measured. In the… — A three-part figure of a 2 × 2 silicon spin-qubit array. Panel (a) gives a colour legend of four layers — screening, accumulation and barrier gates and a micromagnet — a gate-layout drawing with four quantum dots and two sensor dots, and a false-coloured electron micrograph of a nominally identical device with the micromagnet on top. Panel (b) shows Rabi 'chevron' patterns for each qubit; panel (c) shows controlled-phase oscillations of neighbouring pairs versus barrier-gate voltage. From Nature Communications (2025), 'Baseband control of single-electron silicon spin qubits in two dimensions', by Florian K. Unseld, Lieven M. K. Vandersypen and co-authors. It shows gate-defined spin qubits in a two-dimensional layout. “Fig. 1 — Fig. 1: A 2 × 2 silicon spin qubit array.a Design schematic and false colored SEM image of a device nominally identical to the one measured. In the schematic…” by Unseld et al., www.nature.com/articles/s41467-025-60351-x, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

g_mwspin · слой 3 Механизм вентиля · центральность 1.7 · продемонстрировано · с 2004 · обновлено 2026-09-30

СВЧ / оптические спиновые вентили (центры окраски, однокубитные спины)

Резонансный микроволновый поворот электронного спина дефекта, поворот соседних ядер, обусловленный сверхтонкой связью, и оптические импульсы для инициализации и считывания.

Вердикт. Ошибка вентиля в одном узле ниже 0.1%, но оптические циклы, которыми спин инициализируют и считывают, являются и главным источником его декогеренции, а ни один применяемый бенчмарк эти два вклада не разделяет.

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

Резонансное микроволновое возбуждение поворачивает электронный спин центра окраски между подуровнями основного состояния — 2.87 GHz в нулевом поле для NV, зеемановски расщеплённая пара для центров IV группы. Сверхтонкая связь с соседними ¹³C или ¹⁴N делает их адресуемыми условными поворотами: целый регистр из одного дефекта. Оптические импульсы выполняют инициализацию и считывание, недоступные микроволнам. Когерентная раби-накачка одиночного дефекта известна с 2004 года; эталоном служит томография набора вентилей Fujitsu/QuTech с результатом ниже 0.1% P[208].
Атрибуты: инженерно заданное размещение естественного дефекта, неподвижный, запутывание около 1 µs (электрон) и миллисекунды (ядро); управление микроволновое плюс оптическое; ошибки паулиевские и когерентные.

Физика и пределы

Архитектуру задают две частоты: мегагерцовая раби-частота электрона даёт вентили длительностью в десятки-сотни наносекунд, тогда как ядерные вентили, обусловленные сверхтонкой связью, идут на килогерцах — на три порядка медленнее, так что долгоживущая память оказывается медленной. Пол задаётся оптической скважностью, а не микроволновой мощностью: каждый импульс инициализации или считывания проводит дефект через возбуждённое состояние, способное его ионизовать, и смещает локальное зарядовое окружение, поэтому ошибка следующего вентиля зависит от того, сколько фотонов рассеял предыдущий. Изотопная чистота по ¹²C удлиняет T₂, но против этого не помогает ничем; пол сдвигает только сокращение числа оптических циклов на операцию — потому ~10-кратный выигрыш в сборе света, полученный в Delft, есть результат по вентилю в той же мере, что и по каналу связи D[359].

Достигнутый инженерный уровень

таблица

Год	Показатель	Кто	Тег
2025-03-28	Ошибка однокубитных и двухкубитных вентилей NV ниже 0.1% по томографии набора вентилей	Fujitsu совместно с QuTech	P[208]
2025-11-27	Резонансный сбор фотонов ~0.05% → ~0.5% при сохранении когерентности по эху выше 100 µs	QuTech	D[359]
2026-05-26	Безусловный телепортированный CNOT между криостатами, 63(4)%	QuTech	D[360]

Доминирующий член: оптически индуцированная зарядовая нестабильность, а не микроволновое управление.

На дырочных спинах в германии геометрическая форма импульса электродипольного спинового резонанса (EDSR) — неадиабатическая трёхсегментная петля, поворот которой задаётся геометрией петли, а не динамикой импульса, — удержала X/2 и Y/2 выше 99% при микроволновой расстройке ±2.5 MHz, а вентиль ожидания (idle) — при ±1.2 MHz, с максимумами 99.98% (ожидание), 99.80% (X/2) и 99.97% (Y/2) по томографии набора вентилей P[888]. Цена — длительность в четыре–шесть раз больше, чем у обычного вентиля, а то, какая петля лучше, зависит от доминирующего шума.

Цифра ниже 0.1% по томографии набора вентилей на NV опирается на совместный пресс-релиз Fujitsu/QuTech, пересказанный отраслевой прессой [208], без рецензируемой статьи с доверительными интервалами или бюджетом ошибок; здесь она помечена P, в основном отчёте и записи графа — D. Не опубликовано: длительности вентилей над ядерными спинами рядом с точностями NV, так что килогерцовая раби-частота — механизм, а не измеренная характеристика устройства; даты для названных площадок развёртывания Quantum Brilliance [823] и какое-либо финансирование после раунда серии A января 2025 г.; и датированная дорожная карта с числами кубитов у какого-либо участника в области вентилей на дефектах.

Производство, материалы и цепочка поставок

Вентиль наследует ограничения алмаза: CVD-рост от Element Six, имплантированные дефекты, нанофотоника под каждое устройство. В тракте возбуждения не мультиплексируется ничто: каждому адресуемому дефекту нужны собственная резонансная лазерная линия, микроволновый подвод и канал детектора, поэтому аппаратура растёт линейно с числом узлов — полная противоположность общей микроволновой установке. Задержка управления задаётся каналом связи, а не вентилем: телепортированному CNOT потребовалась обратная передача в пределах времени жизни памяти D[360]. На 10³ узлах стеной становятся число лазеров и оптическое разветвление, причём опубликованного плана здесь нет. Центры окраски не названы ни в одном правиле экспортного контроля.

Роль в стеке

Требует носителя «центр окраски» и предоставляет тот вентиль, которым пользуется архитектура «дефектные узлы»; на архитектурах спинов в кремниевых / германиевых квантовых точках и донорных спинов он служит альтернативным вентилем. Реестр числит 5 машин, использующих его, среди них QC2026 Dual Core от SaxonQ, Quoll / QB-QDK 2.0 от Quantum Brilliance и Diamond-spin quantum computer prototype от Fujitsu. Его вклад в такт никогда не оказывается связывающим: электронные вентили ~10⁻⁷–10⁻⁶ s против считывания ~100 µs и каналов связи, которые на шесть-девять порядков медленнее; кода на дефектной архитектуре нет, так что сумма раунда синдрома: слои вентилей + транспорт + считывание + сброс здесь значения не имеет, а тактом служит темп связи. Верификация: цифра ниже 0.1% принадлежит одной коллаборации и обнародована через пресс-релиз, а томография набора вентилей в том виде, в каком она применена, не разделяет микроволновую ошибку и оптически индуцированную ошибку зарядового состояния — это композит, который не перенесётся на другую скважность считывания. Телепортированный CNOT безусловен, в отличие от результата с постселекцией на T-центрах при белловской величине 0.60(8) P[363].

Участники и экономика

Кто.
| Организация | Роль | Страна | Что именно делает с технологией | Свидетельство |
|---|---|---|---|---|
| QuTech | разработчик | Нидерланды | Управление NV в резонаторе, удалённый вентиль | D[359], [360] |
| Fujitsu | пользователь | Япония | Совместная программа по вентилям на NV | P[208] |
| Quantum Brilliance | разработчик | Австралия | Блоки комнатной температуры | P[823] |
| Photonic Inc. | разработчик | Канада | Управление спинами T-центров | P[363] |
| Element Six | поставщик | Великобритания | Рыночный CVD-алмаз | P[364] |

Деньги. 2026-05-12 · Photonic Inc. · вхождение в капитал · USD 200 M при оценке USD 2 B · Microsoft снова среди инвесторов · закрыто Cфакт. 2026-07 · QuantumDiamonds · EUR 91 M, из них EUR 76 M по EU Chips Act · закрыто P[364]. 2025-01 · Quantum Brilliance · раунд серии A · USD 20 M · ~USD 58 M накопленным итогом · закрыт P[364]. Ни один этап QBI этот механизм вентиля не называет.

Рынок и цепочка поставок. Риски концентрации — единственный рыночный поставщик алмаза и узкая база детекторов; микроволновая аппаратура общая со всеми модальностями. Работает на G6 и на сенсорику; деньги G3 или G4 до этого вентиля не доходят.

Интеллектуальная собственность и стандарты. Датированного патентного семейства по поименованной базе по состоянию на 4 сентября 2026 г. нет; управление спинами дефектов не охвачено ни одним органом по стандартизации.

Дорожные карты и послужной список. Quantum Brilliance (блоки в трёх лабораториях · поставлены, площадки без дат) P[823]. SaxonQ (QC2026 Dual Core · отгружен) P[364]. Photonic Inc. (отказоустойчивость «в течение пяти лет» от 2023-11 · не выполнено). Достоверность здесь перевёрнута: поставляют самые мелкие участники, а обещает наиболее щедро профинансированный.

Стратегическое прочтение. Этот вентиль выигрывает только внутри сетевого или периферийного тезиса, но не в бюджете отказоустойчивости. Рычаг остаётся у поставщиков: интегрированного стека управления дефектами не продаёт никто.

Перспективы и открытые вопросы

Подтвердить/понизить (12–24 месяца): рецензируемый результат по набору вентилей ниже 0.1% с явно выделенным членом ошибки зарядового состояния подтверждает; ещё два года точностей (fidelity) из пресс-релизов понижают. В лучшем случае к 2029: небольшой многоузловой регистр с обнаружением ошибок. В худшем случае: превосходные вентили, которые так и не войдут ни в один код. Открыто: (1) поддаётся ли оптическая адресация мультиплексированию; (2) сообщит ли кто-нибудь длительности ядерных вентилей вместе с точностями; (3) дойдёт ли дефектная платформа до логического кубита.

Литература

[208] M. Swayne, “Fujitsu And QuTech Realize High-Precision Quantum Gates,” The Quantum Insider, Mar. 28, 2025. [Online]. Available: https://thequantuminsider.com/2025/03/28/fujitsu-and-qutech-realize-high-precision-quantum-gates/ [P]
[359] J. Fischer et al., “Spin-photon correlations from a Purcell-enhanced diamond nitrogen-vacancy center coupled to an open microcavity,” Nat. Commun., vol. 16, no. 1, Art. no. 11680, Nov. 2025, doi: 10.1038/s41467-025-66722-8. [D]
[360] M. Iuliano et al., “Unconditionally teleported quantum gates between remote solid-state qubit registers,” Nat. Commun., vol. 17, no. 1, Art. no. 4694, May 2026, doi: 10.1038/s41467-026-72818-6. [D]
[363] F. Afzal et al., “Distributed Quantum Computing in Silicon,” arXiv:2406.01704, Jun. 2024. [P]
[364] M. U. Rehman, “Top Diamond NV-Centre Quantum Computing Companies in 2026,” The Quantum Insider, Jul. 10, 2026. [Online]. Available: https://thequantuminsider.com/2026/07/10/8-quantum-computing-companies-working-with-nv-centre-in-diamond-technology/ [P]
[823] Oak Ridge National Laboratory, “Quantum Brilliance, ORNL pioneer quantum-classical hybrid computing,” ORNL News, Sep. 2, 2025. [Online]. Available: https://www.ornl.gov/news/quantum-brilliance-ornl-pioneer-quantum-classical-hybrid-computing Also https://www.iaf.fraunhofer.de/en/media-library/press-releases/first-room-temperature-quantum-accelerator-in-europe.html. Also https://quantumbrilliance.com/news/supercomputer-with-quantum-accelerator-pawsey-commissions-first-room-temperature-on-premises-quantum-computer-in-supercomputing-center/. [P]
[888] Y.-C. Zhou et al., “High-fidelity geometric quantum gates exceeding 99.9% in germanium quantum dots,” arXiv:2609.33251, Sep. 2026. [P]