Преобразование спина в заряд + радиочастотная рефлектометрия

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

Преобразование спина в заряд + радиочастотная рефлектометрия ro_s2c

Спин преобразуется в событие перемещения заряда паулиевской блокадой или энергетически селективным туннелированием, после чего считывается согласованным по радиочастоте зарядовым сенсором за микросекунды и без разрушения кубита.

ro_s2c · слой 6 Считывание · продемонстрировано · с 2004

Открыть на карте

Туннелирование по Паули/энергии, регистрируемое одноэлектронным боксом на затворе (SEB) или одноэлектронным транзистором (SET); 99.2% за < 6 µs; 99.9% за 100 µs.

Обзор →

Ключевые источники

[624] G. A. Oakes et al., “Fast High-Fidelity Single-Shot Readout of Spins in Silicon Using a Si… · 2023

[189] P. Steinacker et al., “Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fid… · 2025

Пространство проектирования — атрибуты

(a) сродство носителя: искусственный
(b) время · запутывание: —
(c) считывание: преобразование спина в заряд + радиочастотная рефлектометрия · 6.3 µs · неразрушающее · внутрисхемное
(d) подвижность: —
(e) управление: низкочастотное электрическое @ комнатная
(f) структура ошибки: когерентная / калибровочная
(g) производство: КМОП-фабрика 300 mm

Пространство оценки — датированные атрибуты

fast readout (Oakes et al., Quantum Motion; rf single-electron box) → 99.2% in < 6 µs

определяет: такт (время цикла) · 2023-02 · источник

best SPAM → 99.9% (100 µs integration)

определяет: канал ошибок · 2025-09 · источник

99.2% за < 6 µs — Oakes et al., PRX 13, 011023 (2023), Quantum Motion: радиочастотный одноэлектронный бокс, а не SET.

Стандартные рекорды

время сброса/инициализации → 1.0 µs · типичное

Si spins: 'heralded initialization protocol ... repeated the initialization if unsuccessful', with a t_ramp = 1 us ramp at V_J = 1.12 V · 2025-09 · источник [D] ⓘ

ошибка сброса → не опубликовано · типичное

Initialisation error is not reported separately from the 99.9% SPAM figure · 2025-09 · источник [D] ⓘ

ошибка SPAM → 1.00e-3 · типичное

Si spins, Pauli spin blockade + d.c. single-island SET: 'SPAM fidelities reach up to 99.9%' at t_int = 100 us; best device 99.95(8)% · 2025-09 · источник [D] ⓘ

точность неразрушающего измерения (QND) / выживание → не опубликовано · типичное

No QND or repeated-readout fidelity is reported for the PSB/SET spin readout · 2025-09 · источник [D] ⓘ

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

Рёбра

нужно: Спин в квантовой точке, формируемой затворами (Si/SiGe, SiMOS, Ge)°, Донорный спин (P в ²⁸Si)°

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

Используют 10 машин (10 основная · 0 альтернатива)

полупроводниковые спины 10
Diraq 8-qubit silicon spin quantum computer at Equinix Sydney Diraq (with Equinix) ◌ 🔎
foundry 8-qubit array Diraq статья пресса ▣ Fig. 1b (direct SET vs cascaded spin-to-charge readout); §II.2 ✅
RacQ (Bell-1) Equal1 страница продукта блог блог ▦ UnityQ specifications ('Readout fidelity 99%', 'Parity readout') ✅
Groove Quantum 18-qubit germanium spin processor Groove Quantum пресса ◌ 🔎
Hitachi x Intel 18A spin programme Hitachi + Intel K.K. + AIST (G-QuAT) пресса пресса ◌ 🔎
HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots) HRL Laboratories (IBM since 26 Aug 2026) статья пресса ▤ Methods: Exchange-only qubits; SI S3.D; Fig. 1b ✅
Tunnel Falls Intel статья пресса пресса ◌ 🔎
QM-One Quantum Motion ▣ Fig. 1 (device and measurement setup); Fig. 2, Fig. 4 (spin readout fidelity); §II–III; §VI.B ✅
Alloy Pioneer (Quobly) Quobly пресса ◌ 🔎
11-qubit donor processor Silicon Quantum Computing статья пресса ▤ §Main (QND readout of each nuclear spin via the ancillary electron); Fig. 1 (single-qubit characteristics) ✅

↗ 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: The foundry-fabricated spin qubit unit cell.a, Scanning electron microscopy of the split-gate device with false colours. The silicon channel… — Figure of a foundry-made silicon spin-qubit cell read without a separate charge sensor. Panel (a) is a false-colour electron micrograph (40 nm scale) of a silicon channel crossed by split gates; two electrons sit under gates L and R, gate L is wired to a resonant circuit whose response reveals the electrons' state, and gate R receives fast pulses. Panel (b) draws the device in cross-section; (c) is the charge map read through the resonator; (d) and (e) show the coupling between the two dots tuned by a gate. From Nature Electronics (2026), Fig. 1, by Hamonic, Urdampilleta and co-authors. It illustrates gate-based radio-frequency readout of a singlet–triplet qubit. “Fig. 1 — Fig. 1: The foundry-fabricated spin qubit unit cell.a, Scanning electron microscopy of the split-gate device with false colours. The silicon channel (khaki) is…” by Hamonic et al., www.nature.com/articles/s41928-026-01654-9, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 1 — Figure 1: (a) Electronic and cryogenic setup. An RF tone PinP is split in two at room temperature (RT). One part serves as local oscillator (LO) for — Three-panel figure. (a) A drawing of the measurement chain from room temperature through 4 K to 50 mK: attenuated input and pump lines, a directional coupler, isolators, a Josephson travelling-wave parametric amplifier (+12 dB), a high-electron-mobility-transistor (HEMT) amplifier (+35 dB) and an IQ demodulator, with an optical micrograph of the spiral inductor forming the tank circuit on gate B3. (b) A false-coloured scanning electron micrograph of a four-dot silicon (SiMOS) device with gates B1–B3 and T1–T3. (c) A charge-stability map of the demodulated signal. It is Fig. 1 of arXiv 2307.14717 by V. Elhomsy and co-authors. It shows where a parametric amplifier sits in gate-based spin-qubit readout. “Fig. 1 — Figure 1: (a) Electronic and cryogenic setup. An RF tone PinP is split in two at room temperature (RT). One part serves as local oscillator (LO)…” by Victor Elhomsy et al., arxiv.org/abs/2307.14717, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 1 — Figure 1: Schematic of the experimental setup. The double quantum dot, located at the 60 mK stage, is coupled to an RF-reflectometry circuit for fas… — A drawn block schematic of a cryogenic measurement set-up across three stages (300 K, 4 K, 60 mK), with two real images: a scanning-electron micrograph of the gate electrodes of a silicon double quantum dot and an optical image of its chip, the imaged area boxed in orange. It is Fig. 1 of arXiv 2608.10325 (August 2026) by Johnathan Bryan, Tim J. Wilson and Hong-Wen Jiang, on real-time FPGA-based (field-programmable gate array) feedback stabilization of a silicon double quantum dot. Radio-frequency reflectometry reads the dot's charge state quickly; a Quantum Machines OPX controller runs a proportional-integral-derivative (PID) loop that corrects gate voltages in real time against drift. “Fig. 1 — Figure 1: Schematic of the experimental setup. The double quantum dot, located at the 60 mK stage, is coupled to an RF-reflectometry circuit for fast…” by Johnathan Bryan, Tim J. Wilson, Hong-Wen Jiang, arxiv.org/abs/2608.10325, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

ro_s2c · слой 6 Считывание · центральность 8.4 · продемонстрировано · с 2004 · обновлено 2026-09-30

Преобразование спина в заряд + радиочастотная рефлектометрия

Спин преобразуется в событие перемещения заряда паулиевской блокадой или энергетически селективным туннелированием, после чего считывается согласованным по радиочастоте зарядовым сенсором за микросекунды и без разрушения кубита.

Вердикт. Считывание, которым пользуется каждая кремниевая архитектура, и тот член, что задаёт кремниевый такт, — 6 µs при 99.2% либо 100 µs при 99.9%, причём ни одно опубликованное устройство не даёт того и другого сразу.

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

Спин не несёт заряда, поэтому туннельное событие делают спин-зависимым — паулиевская блокада (чётность двух спинов, масштаб = синглет-триплетное расщепление) либо энергетически селективное туннелирование по Элзерману (одиночный спин, требуется зеемановское расщепление ≫ kT), — а о самом событии сообщает зарядовый сенсор. Сенсором служит одноэлектронный транзистор или одноэлектронный ящик на затворе, считываемый через квантовую ёмкость, в LC-контуре вблизи 0.1–2 GHz. Однократное (single-shot) считывание по Элзерману известно с 2004 года. Атрибуты: считывание — через преобразование спина в заряд, ~6 µs, неразрушающее, пригодное к внутрисхемному применению; управление — низкочастотное возбуждение из комнатной температуры, сенсор в КМОП, носитель неподвижен.

Физика и пределы

Отношение сигнал/шум за один выстрел — это фазовый сдвиг, проинтегрированный против шума усилителя в окне, сверху ограниченном T₁, а снизу — полосой контура; отсюда весь размен: 99.2% менее чем за 6 µs D[624] против 99.9% для приготовления и измерения (SPAM) за 100 µs D[189]. Считывание по Элзерману умирает по мере приближения kT к зеемановской энергии, поэтому «горячая» (≈1 K) работа стоит в первую очередь именно считывания; паулиевская блокада там выживает, но отвечает на вопрос о чётности. Релаксация внутри окна возвращает ложное основное состояние, а зарядовый шум сенсора уводит порог, так что ошибка измерения дрейфует и коррелирована, а не независима, как предполагают декодеры. Усиление на квантовом пределе и демодуляция внутри криостата опускают этот пол ниже.

Достигнутый инженерный уровень

таблица

Год	Показатель	Кто	Тег
2023-02-23	99.2% за один выстрел менее чем за 6 µs, радиочастотный одноэлектронный ящик	Quantum Motion	D[624]
2025-09-24	99.9% SPAM за 100 µs, 300 mm SiMOS	Diraq	D[189]

Доминирующий член: SNR на коротких окнах, T₁ на длинных; ни одно устройство фабричного изготовления не публикует считывание быстрее 10 µs с точностью (fidelity) выше 99.5%.

Число каналов ZQCS — пересказ вендорского анонса отраслевой прессой, а не первичный релиз. Не опубликовано: точность только считывания, выделенная методом RB, за цифрой 99.9% от Diraq/imec, приводимой как SPAM.

Производство, материалы и цепочка поставок

Изготавливаемый в том же 300 mm КМОП-стеке, что и сам кубит, сенсор не добавляет материаловедческого риска; ящик на затворе, которому нужны лишь электрод и контур, — предпочтительная для фабрики форма. Приборную часть покупают, а не строят: SHFQC-LRT от Zurich Instruments даёт взвешенное интегрирование ≤32 µs C[625], а в списке заказчиков OPX1000 от Quantum Machines значатся девять спиновых команд, включая Diraq, HRL, imec и Equal1 C[449]. Частотное мультиплексирование удерживает число линий на сублинейном уровне: стена на 10³ — это разнос контуров по полосе; на 10⁴–10⁶ это суммарная полоса считывания и число усилителей, а не сам сенсор. Контроллер HRL на 4 K (366 ЦАП, ≤3.5 W) показывает, что тракт можно перенести внутрь криостата D[190].

Роль в стеке

Требуется спинам на квантовых точках и донорным спинам, рёбер замены или конфликта нет — это несущий узел считывания и в архитектуре «спины на квантовых точках Si/Ge», и в архитектуре «донорные спины». Реестр числит 10 машин, использующих его, среди них QM-One, RacQ (Bell-1), 11-qubit donor processor и HRL exchange-only silicon spin processor (18 EO qubits from 54 quantum dots). При обменных вентилях в десятки наносекунд считывание за 6–100 µs задаёт производный такт = сумма раунда синдрома: слои вентилей + транспорт + считывание + сброс: 8.5×10⁻⁶ s на быстром конце, из которых 6.3 µs — само считывание. Верификация: две ключевые цифры получены на разных устройствах с разными сенсорами — это кривая «скорость — точность», а не одна система, — а 99.9% включает в себя инициализацию. Ни то ни другое независимо не воспроизведено.

Участники и экономика

Кто.
| Организация | Роль | Страна | Что именно делает с технологией | Свидетельство |
|---|---|---|---|---|
| Quantum Motion | разработчик | Великобритания | Считывание на одноэлектронном ящике, 99.2% менее чем за 6 µs | D[624] |
| Diraq | разработчик | Австралия | 99.9% SPAM на 300 mm SiMOS от imec | D[189] |
| Silicon Quantum Computing | разработчик | Австралия | Считывание донорных ядерных регистров | Dфакт |
| HRL Laboratories | разработчик | США | Считывание, секвенируемое 4 K крио-КМОП | Dфакт |
| Zurich Instruments | поставщик | Швейцария | Продаёт приборы для рефлектометрии | C[625] |
| Quantum Machines | поставщик | Израиль | Тракт считывания для девяти спиновых команд | C[449] |

Деньги. 2025-02-25 · Quantum Machines · раунд серии C · $170 M · PSG Equity, Intel Capital · закрыт Cфакт. 2025-11-06 · Diraq, Quantum Motion, SQC · QBI Stage B · ≤$15 M на каждого · DARPA · отобраны факт. 2026-05-07 · Quantum Motion · раунд серии C · $160 M · DCVC, Kembara · закрыт Cфакт. 2026-05-21 · Diraq · CHIPS LOI · ≤$38 M · US Commerce · необязывающее факт.

Рынок и цепочка поставок. Zurich Instruments и Quantum Machines поставляют тот радиочастотный тракт, который почти каждая спиновая команда покупает, а не делает сама C[449], [625]; вторая узкая точка — криогенное усиление. Работает на G2, G3, G7.

Интеллектуальная собственность и стандарты. Датированного патентного семейства по преобразованию спина в заряд или радиочастотной рефлектометрии в поименованной базе по состоянию на 4 сентября 2026 г. нет.

Дорожные карты и послужной список. Diraq (2026-08-27 · 150 k физических, 1 k логических к 2029 · не выполнено; в релизе от 2026-07-09 говорилось «тысячи к 2029») Rфакт. Zurich Instruments (2026-03-09 · ZQCS на «несколько тысяч кубитов» · поставляется) P[526]. Ни один поставщик не обещает датированного темпа считывания; приборы отгружаются в срок, а число кубитов — нет.

Стратегическое прочтение. Считывание — единственная кремниевая подсистема, которую покупают, а не строят, поэтому поставщики управляющей электроники сохраняют рычаг влияния независимо от того, какой кубит победит; если ящик на затворе вытеснит сенсорный транзистор, его заберёт себе фабрика, и конструкции с отдельным сенсором на каждый кубит проиграют дважды.

Перспективы и открытые вопросы

Подтвердить или понизить в статусе за 12–24 месяца: ≥99.9% быстрее 20 µs на устройстве фабричного изготовления; ≥16 сенсоров, мультиплексированных в одну линию, с указанной цифрой перекрёстных помех. В лучшем случае к 2029: >100 сенсоров, каждый считывается менее чем за 10 µs, с демодуляцией внутри криостата. В худшем случае: считывание остаётся членом, задающим такт, и крупнейшей ошибкой синдромного цикла. Открыто: (1) сколько контуров приходится на один усилитель квантового предела; (2) достаточно ли считывания чётности без анциллы на каждый кубит; (3) как коррелированный дрейф порога выглядит для декодера.

Литература

[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]
[190] Members of the HRL Quantum Team and Collaborators, “A digitally controlled silicon quantum processing unit,” arXiv:2604.16216, Apr. 2026. [D]
[449] Quantum Machines, “Semiconductor Spin Qubits,” Aug. 11, 2026. [Online]. Available: https://www.quantum-machines.co/qubit-types/semiconductor-spin-qubits/ [C]
[526] Zurich Instruments, “Zurich Instruments Launches the ZQCS Quantum Control System to Master the Long-Lived Logical Qubit Challenge,” Mar. 9, 2026. [Online]. Available: https://www.zhinst.com/americas/en/news/zurich-instruments-launches-zqcs-quantum-control-system-master-long-lived-logical-qubit/ [P]
[624] G. A. Oakes et al., “Fast High-Fidelity Single-Shot Readout of Spins in Silicon Using a Single-Electron Box,” Phys. Rev. X, vol. 13, no. 1, Art. no. 011023, Feb. 2023, doi: 10.1103/PhysRevX.13.011023. [D]
[625] Zurich Instruments, “SHFQC-LRT Long Readout Time,” Jan. 30, 2025. [Online]. Available: https://www.zhinst.com/en/products/shfqc-lrt-long-readout-time [C]