4 Qubit Architectures — Physical Mechanism Explainer · PTL Research

https://claude.ai/public/artifacts/8feb9d6e-7d29-4e2c-9da6-257ee2c20589 4 Qubit Architectures — Physical Mechanism Explainer · PTL Research
PTL Research · Quantum Technology Series · QT-003
Tharathep Lomchid · tharathep.ptl@gmail.com
รายงาน VISUAL EXPLAINER
พฤษภาคม 2026

4 Qubit Architectures
Physical Mechanism

กลไกการทำงานระดับ Physics ของ Superconducting · Trapped Ion · Photonic · Topological — พร้อม Comparison Matrix และ Fault-Tolerance Analysis

SCOPE Physical → Engineering
AUDIENCE Tech Investor / Analyst
DIAGRAMS SVG Mechanical
UPDATED Q1 2026 Data
01
ควิบิตตัวนำยิ่งยวด
Superconducting Qubits
IBMGoogleRigetti
COHERENCE 10–500 μs
GATE FIDELITY 99.0–99.7%
TEMP ~15 mK
MAX QUBITS ~1,000+ (IBM)
Diagram 1A — Josephson Junction Cross-Section & LC Resonator (Physical Qubit)
SAPPHIRE SUBSTRATE (low-loss dielectric) NIOBIUM (Nb) Superconductor 2 — bottom electrode ← AlOx barrier ~1 nm (tunnel barrier) NIOBIUM (Nb) Superconductor 1 — top electrode Cooper Pair (e⁻ e⁻) ↓ quantum tunneling Josephson Junction Cross-Section THE PHYSICAL QUBIT — ~100 nm total structure DECOHERENCE SOURCES ① Substrate TLS defects ② AlOx interface noise ③ Magnetic flux noise ↓ enters qubit here LC Resonator Circuit ~5 GHz resonant frequency — defines qubit energy levels L (Inductor) ~10 nH JJ C (Capacitor) ~100 fF ω = 1/√LC ≈ 2π × 5 GHz Energy Potential Well Double-well defines |0⟩ and |1⟩ E φ Josephson phase (φ) |0⟩ |1⟩ quantum tunneling ΔE ≈ hf Dilution Refrigerator Temperature Stages 300 K — Room temp 4 K — Liquid He stage 100 mK — Still plate ~15 mK — QUBIT CHIP
Physical Mechanism — How the Qubit Works
Josephson junction คือรอยต่อระหว่าง superconductor 2 ชั้น คั่นด้วยฉนวนบาง ~1 nm — Cooper pairs (คู่อิเล็กตรอน) สามารถ tunnel ผ่านกำแพงนี้ได้โดยไม่ต้องการพลังงาน ทำให้เกิด quantum superposition ระหว่าง 2 charge states (|0⟩ = เลข Cooper pair หนึ่ง, |1⟩ = อีกเลข) วงจร LC รอบๆ กำหนดความถี่ ~5 GHz — microwave pulse ส่ง transition ระหว่างระดับพลังงาน ต้องทำที่ 15 mK เพราะ thermal energy kT ต้องต่ำกว่า energy gap ΔE = hf ≈ 0.02 meV มาก
Step-by-Step Operation
StepPhysical ActionTime RequiredError Rate (2026)Main Error Source
1
INIT
Initialize |0⟩ — Cool qubit to 15 mK; thermal relaxation drives system to ground state (T1 process) ~1 ms (thermalization) ~99.5% Residual thermal photons in cavity
2
1Q GATE
X / H Gate — Apply shaped microwave pulse at qubit freq (~5 GHz), typically Gaussian envelope ~20 ns duration. Pulse area = π (X gate) or π/2 (H gate) 20–50 ns 0.1–0.3% Pulse distortion, leakage to |2⟩ state
3
2Q GATE
CNOT / CZ Gate — Capacitive coupling between adjacent qubits. Cross-resonance pulse: drive control at target frequency. Creates entanglement via Hamiltonian: H = ZX coupling 200–500 ns 0.3–1.0% ZZ coupling crosstalk, control-line leakage
4
READOUT
Dispersive Measurement — Couple qubit to readout resonator. Qubit state shifts resonator frequency by ±χ. Send probe tone → measure reflected phase to distinguish |0⟩ vs |1⟩ 300–600 ns 1–3% Measurement-induced transitions, amplifier noise
5
ERRORS
Decoherence Sources — T1 (energy relaxation via TLS defects in substrate/AlOx). T2 (dephasing from magnetic flux noise, charge noise). Crosstalk from neighboring qubits T1: 10–500 μs
T2: 10–300 μs
Fundamental Two-Level Systems (TLS) in AlOx barrier — main bottleneck
⚡ Core Bottleneck — TLS Defects
Two-Level Systems (TLS) คือ atomic-scale defects ใน AlOx barrier และ substrate ที่ดูดซับ microwave energy เหมือน "hidden qubits" ที่ steal coherence IBM ลงทุนมหาศาลใน materials science เพื่อลด TLS density — นี่คือสาเหตุที่ทำไม gate fidelity ยังไม่สามารถข้าม 99.9% อย่างสม่ำเสมอใน superconducting platforms
02
ควิบิตไอออนในกับดัก
Trapped Ion Qubits
IonQQuantinuumOxford Ionics
COHERENCE seconds–minutes
GATE FIDELITY 99.5–99.9%
TEMP (TRAP) Ultra-high vacuum
MAX QUBITS 56 (H2), 35 AQ (IonQ)
Diagram 2A — Paul Trap Geometry & Ytterbium-171 Ion Chain
ULTRA-HIGH VACUUM CHAMBER (10⁻¹¹ Torr) RF ELECTRODE +V·cos(Ωt) RF ELECTRODE -V·cos(Ωt) DC ELECTRODE axial confinement DC ELECTRODE axial confinement Yb 171 Yb-171 ION CHAIN (~9 ions shown) laser-cooled to ~1 mK, suspended by EM field LASER BEAM single-qubit gate MS GATE LASER shared phonon mode (collective vibration) Hyperfine Energy Levels Yb-171 ground state splitting = 12.642812 GHz |1⟩ F=1 upper hyperfine |0⟩ F=0 lower hyperfine 12.64 GHz π-pulse (X gate) ~10 μs LASER COOLING Doppler cooling → ~1 mK motional ground state FLUORESCENCE READOUT |1⟩ emits photons, |0⟩ dark
Physical Mechanism — Mølmer-Sørensen Gate (Two-Ion Entanglement)
MS gate ใช้ shared phonon mode (collective vibration ของ ion chain) เป็น "bus" ในการส่ง quantum information ระหว่าง ion สองตัวที่ไม่ติดกัน — ยิง laser สองลำที่มี detuning ต่างกันเล็กน้อยจาก resonance ทำให้เกิด bichromatic drive ที่ entangle spin ของ ion ทั้งสองผ่าน phonon mode นี่คือเหตุผลที่ Trapped Ion มี all-to-all connectivity (ทุก qubit connect กันได้ทุกตัว) ซึ่งดีกว่า superconducting ที่ต้องอาศัย physical neighbor เท่านั้น
Step-by-Step Operation
StepPhysical ActionTime RequiredError Rate (2026)Main Error Source
1
INIT
Initialize |0⟩ — Doppler cooling + Sideband cooling brings ion to motional ground state. Optical pumping drives spin to |F=0, mF=0⟩ ~1–5 ms >99.9% Residual motional excitation, photon scatter
2
1Q GATE
X / H Gate — Focused laser beam (or microwave for Yb clock qubits) drives Rabi oscillation between |0⟩ and |1⟩. Pulse area = π (X) or π/2 (H) 1–50 μs 0.02–0.1% Laser intensity/frequency noise, beam pointing
3
2Q GATE (MS)
Mølmer-Sørensen Gate — Bichromatic laser beams detuned ±δ from blue/red sideband. Drives spin-phonon interaction → geometric phase gate. All-to-all connectivity via shared phonon bus 50–1,000 μs 0.05–0.5% Anomalous motional heating, laser dephasing
4
READOUT
State-Dependent Fluorescence — Shine detection laser: |1⟩ scatters many photons (bright), |0⟩ off-resonant (dark). Single-photon detector (CCD/EMCCD) counts photons to distinguish state 100–500 μs 0.1–0.5% Photon collection efficiency, dark counts
5
ERRORS
Primary Error Sources — Motional heating (trap electrode noise), laser dephasing (intensity/frequency stability), off-resonant photon scatter, crosstalk from neighboring ion addressing T2: seconds–minutes Lowest in field Trap electrode noise (motional heating at 1/f) — main scaling bottleneck
⚡ Core Bottleneck — Speed vs Quality
Trapped Ion มี gate fidelity สูงที่สุดในบรรดาทุก architecture แต่ gate speed ช้ากว่า superconducting ~1,000 เท่า MS gate ใช้ ~1 ms vs cross-resonance ~300 ns — ทำให้ circuit depth ที่ทำได้ใน coherence time จำกัด IonQ ใช้ photonic interconnect ในการ shuttle ions ระหว่าง trap zones เพื่อ scale ขึ้นโดยไม่ต้องมี ion ทุกตัวอยู่ใน chain เดียวกัน
03
ควิบิตโฟโตนิก
Photonic Qubits
XanaduPsiQuantumQuiX
COHERENCE No decoherence*
GATE FIDELITY ~99.0% (limited by loss)
TEMP Room temperature
MODES 216 (Xanadu Borealis)
Diagram 3A — Silicon Photonic Chip: Waveguides, Beam Splitter, MZI, SNSPD Detector
SILICON PHOTONIC CHIP (Si₃N₄ waveguides on SiO₂) Room temperature — CMOS-compatible fabrication PHOTON SOURCE |1⟩ Fock SPDC crystal photon → 50/50 BS Beam Splitter creates superposition |α⟩ upper path |β⟩ lower path φ phase shifter (heater/EO mod) Mach-Zehnder Interferometer (MZI) photon takes BOTH paths simultaneously in superposition Output BS interference PHOTON LOST scattering/absorption in waveguide SNSPD CLICK! Superconducting Nanowire Detector SQUEEZING OPERATION Optical Parametric Amplifier (OPA) squeezes vacuum noise → GBS computation Gaussian Boson Sampling GBS CIRCUIT STRUCTURE N squeezed modes → unitary interferometer → photon- number-resolving detection Xanadu Borealis: 216 modes PHOTON LOSS Core challenge: ~0.2 dB/cm loss in Si₃N₄ waveguides → erases information Waveguide Loss vs Chip Size Photon survival probability 100% 50% 0% 0 5 cm 10 cm chip length SiO₂ (0.4 dB/cm) Si₃N₄ (0.1 dB/cm) ~80% threshold ✓ ROOM TEMPERATURE No cryogenics needed (SNSPD detectors need 4K)
Physical Mechanism — Gaussian Boson Sampling (GBS)
Photonic QC ไม่ได้ encode qubit ใน particle เดี่ยว แต่ใช้ optical modes (เส้นทางของแสง) — แต่ละ mode สามารถอยู่ใน quantum superposition ของ "มีโฟตอน" กับ "ไม่มีโฟตอน" Xanadu ใช้ Gaussian Boson Sampling ซึ่งส่ง squeezed light ผ่าน unitary interferometer (N×N matrix of beam splitters) แล้ว measure photon pattern ที่ output — computing sampling distribution จาก matrix permanent ซึ่งเป็น #P-hard สำหรับ classical computer ข้อดีสูงสุด: ไม่มี decoherence (photon ไม่มีมวล ไม่โต้ตอบกับ environment ทางความร้อน) ข้อเสียสูงสุด: photon loss ทำให้สูญเสีย computation โดยสิ้นเชิง
Step-by-Step Operation
StepPhysical ActionTime RequiredError Rate (2026)Main Error Source
1
INIT
Prepare squeezed state |0⟩ — Optical Parametric Oscillator (OPO) squeezes vacuum noise in one quadrature. Single-photon source (SPDC) generates Fock state |1⟩ CW / pulsed laser >99% Source efficiency, multi-photon emission probability
2
1Q GATE (sort of)
Beam splitter rotation — 50/50 BS creates superposition: |1,0⟩ → (|1,0⟩ + i|0,1⟩)/√2. Phase shifter (thermo-optic heater) adjusts relative phase between modes ~ps (light transit) ~99.5% Phase shifter thermal noise, waveguide birefringence
3
2Q GATE (nonlinear)
Two-photon interference (nonlinear): Linear optics alone cannot create deterministic 2-qubit gates. Requires Kerr nonlinearity OR measurement-based feedforward (KLM scheme) OR fusion gates N/A linear / ~ns nonlinear 0.5–5% (current) Photon distinguishability, nonlinear gate efficiency
4
READOUT
SNSPD detection — Superconducting Nanowire Single-Photon Detector (needs 2–4 K). Photon absorbed → breaks superconductivity → voltage pulse. Photon-number resolving SNSPD distinguishes |0⟩,|1⟩,|2⟩… ~100 ns response ~99% Detector efficiency (~95% best), dark counts
5
ERRORS
Photon Loss Dominates — Every connector, waveguide bend, beam splitter has insertion loss. Each dB = 20% photon loss probability. Circuit depth limited by total loss budget. No decoherence, but loss = erasure error Loss accumulates along path 0.1–0.5 dB/component Waveguide scattering, coupler loss, photon distinguishability
⚡ Core Bottleneck — Photon Loss & Nonlinear Gates
PsiQuantum เชื่อว่า fault-tolerant photonic QC ต้องการ photon loss ต่ำกว่า 1% ต่อ gate operation — ปัจจุบันดีที่สุดอยู่ที่ ~0.2 dB/cm ใน Si₃N₄ waveguides หรือ ~5% loss ต่อ cm PsiQuantum จึงเดิมพันกับ GlobalFoundries ใน 300mm silicon photonic wafer เพื่อ scale ด้วย semiconductor fab ที่ volume สูง ลด defect density และ insertion loss ลง ซึ่งเป็น engineering challenge ระดับเดียวกับการสร้าง EUV lithography
04
ควิบิตโทโพโลจิคัล
Topological Qubits (Majorana)
Microsoft
COHERENCE Theoretically ∞ (protected)
GATE FIDELITY TBD (Majorana 1, 2025)
TEMP ~50 mK
STATUS Early research stage
Diagram 4A — InAs/Al Nanowire Device, Majorana Zero Modes, Braiding Operation
Majorana Nanowire Device InAs semiconductor + Al superconductor under magnetic field SiO₂ / Si substrate Aluminum (Al) — Superconductor shell Tc ≈ 1.2 K — induces superconductivity into InAs via proximity effect InAs SEMICONDUCTOR NANOWIRE strong spin-orbit coupling + proximity superconductivity + Zeeman splitting from B field → Topological phase nanowire length ~1–10 μm γ₁ MZM Left Majorana Zero Mode γ₂ MZM Right Majorana Zero Mode Non-Local Quantum Information |qubit⟩ stored BETWEEN γ₁ and γ₂ — not at either end alone → local perturbation at ONE end cannot destroy the qubit EXTERNAL MAGNETIC FIELD B ⃗ B > Bc (critical field) triggers topological phase transition Zeeman energy > superconducting gap → Kitaev chain model Braiding Operation Physically swapping 2 MZMs = quantum gate BEFORE: γ₁ γ₂ γ₃ γ₄ BRAID γ₂ ↔ γ₃: γ₂ γ₃ AFTER: γ₁ γ₃ γ₂ γ₄ = NON-ABELIAN EXCHANGE order of braids matters → unitary gate TOPOLOGICAL PROTECTION Information stored non-locally: • Local noise at γ₁ → cannot flip qubit • Must disturb BOTH ends simultaneously • Exponentially suppressed by wire length MAJORANA 1 CHIP Microsoft (Feb 2025) • 8 topological qubits • Classical control unit • First chip of its kind Still early-stage research
Physical Mechanism — Why Majorana Fermions Are Special
Majorana fermion คือ quasi-particle ที่เป็น its own antiparticle (ψ = ψ†) ซึ่งปรากฏที่ปลายทั้งสองของ topological nanowire เป็น zero-energy modes ที่ไม่ absorb หรือ emit energy จาก environment ข้อมูล quantum ถูกเก็บใน parity ของ fermion pair (γ₁, γ₂) ซึ่งกระจายอยู่ตลอดความยาวของ wire — local noise ไม่สามารถทำลาย non-local parity ได้ การทำ quantum gate ด้วย braiding (สลับตำแหน่งทางกายภาพของ MZMs) ทำให้ได้ unitary gate ที่ inherently error-protected โดย topology — นี่คือ "holy grail" ของ QEC ที่ Microsoft เชื่อว่าจะ leapfrog ทุก architecture อื่นในระยะยาว
Step-by-Step Operation
StepPhysical ActionTime RequiredError Rate (2026)Main Error Source
1
INIT
Initialize topological qubit — Apply magnetic field B > Bc to drive InAs/Al wire into topological phase. Cool to 50 mK. Measure parity of MZM pair to project into |0⟩ or |1⟩ Slow (ms–s for cool-down) TBD (Majorana 1) Parity measurement fidelity, residual disorder in nanowire
2
1Q GATE
Braid two MZMs — Physically move γ₂ around γ₃ using electrostatic gates that shift the position of zero modes along the wire. Order of braid encodes the gate (R gate, NOT equivalent to Hadamard — not universal alone) ~100 ns–1 μs (theoretical) Theoretical: very low Disorder-induced MZM hybridization, quasiparticle poisoning
3
2Q GATE
Joint parity measurement — Couple two Majorana pairs via tunnel junction. Measure joint parity to entangle the two topological qubits (projective entanglement). Requires auxiliary MZMs in a T-junction ~μs (theoretical) Theoretical: very low T-junction geometry disorder, MZM wavefunctions overlap
4
READOUT
Parity measurement via quantum dot — Couple MZM pair to quantum dot → measure conductance peak (Coulomb blockade oscillation encodes parity). Or tunnel spectroscopy to detect zero-bias peak ~ms currently Early stage — challenging Spurious Andreev bound states masquerading as MZMs
5
ERRORS
Non-topological errors — Quasiparticle poisoning (stray electrons break Cooper pairs, disturb parity). Thermal excitation above topological gap. Non-idealities in nanowire synthesis (disorder). Gap too small at available B fields Gap energy: ~100 μeV Not yet benchmarked Topological gap size (needs >100 μeV for ms protection); quasiparticle poisoning
⚡ Core Bottleneck — "Is it really Majorana?"
ปัญหาที่ยากที่สุดใน 2026: ยืนยันว่า zero-bias conductance peak ที่วัดได้ใน Majorana 1 เป็น topological Majorana จริงๆ ไม่ใช่ Andreev bound state ธรรมดาที่มีลักษณะคล้ายกัน Microsoft ถูกวิจารณ์ใน 2021 เมื่อ paper บน Nature ต้องถูก retract เพราะ data interpretation ปัจจุบัน community ยังถกเถียงกันว่า Majorana 1 chip ที่ประกาศใน Feb 2025 มี true topological protection หรือไม่ — นี่คือ single biggest risk สำหรับ long-term Microsoft quantum thesis
Section 05 — Comparison Matrix
Architecture Positioning Map
Coherence Time vs Gate Fidelity — bubble size = qubit count, color = operating temperature
Superconducting (IBM/Google/Rigetti)
~15 mK cryogenic · 10–500 μs coherence · 99.5% fidelity · up to 1,000+ qubits · largest bubble
Trapped Ion (IonQ/Quantinuum)
Laser cooling + vacuum · seconds–minutes coherence · 99.9% fidelity · 56 qubits (H2) · medium bubble
Photonic (Xanadu/PsiQuantum)
Room temperature · no decoherence (loss-limited) · 216 modes · plotted at effective coherence for comparison
Topological (Microsoft Majorana)
~50 mK · theoretical protection · 8 qubits (2025) · shown at projected potential — not yet demonstrated
⬆ Fault-Tolerance Boundary
เส้น threshold ในกราฟ (ประมาณ 99.9% fidelity) คือ Fault-Tolerance Threshold ตาม Surface Code — gate error rate ต่ำกว่า ~0.1% (fidelity >99.9%) + coherence time นานพอสำหรับ circuit depth ที่ต้องการ → สามารถทำ Quantum Error Correction (QEC) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบัน (2026) มีเพียง Trapped Ion ที่ gate fidelity ถึง threshold แต่ qubit count ยังต่ำเกินไปสำหรับ fault-tolerant algorithm จริงๆ

Comments

Popular posts from this blog

Co-Packaged Optics Production โครงสร้างการผลิต CPO ตั้งแต่ระดับ Wafer Epitaxy ไปจนถึง Hyperscaler Deployment — วิเคราะห์ Supply Chain ทุก Layer