我国科学家攻克超低温量子接口技术

3 月 20 日消息，中国科学技术大学于 3 月 10 日发布博文，宣布其微电子学院程林教授团队联合澳门大学罗文基教授团队，在超低温量子接口基准电路研究中取得重大进展。

该研究首次提出了无需修调的超低温低功耗 CMOS 电压基准，可在极端温度范围内实现高精度稳定输出，相关成果发表于固态电路领域顶级期刊《Journal of Solid-State Circuits》（JSSC）。该技术为量子计算的规模化应用提供了关键支撑。

技术背景

援引博文介绍，大多数量子计算机（如超导量子计算机）为了减少热噪声对量子比特的影响，需在接近绝对零度的环境下运行，因此量子计算机需要大量高保真量子位和控制接口电路，以在室温的经典域和低温的量子域之间传递信号。

在各类接口电路模块中，基准电路至关重要。为了确保在初始测试、热过渡和系统异常等工作条件下的可靠性，电压基准必须在稀释制冷机到外界环境的温度范围内（从 300K 到 4K）保持稳定输出特性，这要求其对温度波动和工艺偏差具有极低的敏感性。

然而，标准 CMOS 器件在超低温下会表现出阈值电压漂移、非线性效应加剧、扭结效应等问题，这使得量子接口基准电路的极端低温环境适应性面临严峻挑战。因此，设计高鲁棒性、适用于超低温环境的量子接口基准电路，将有助于解决量子计算大规模应用中的关键技术难题。

项目突破

研究团队提出了一种创新性解决方案，设计了一种无需修调的超低温低功耗 CMOS 电压基准量子接口电路，提出了同时实现温度和工艺的自补偿的技术。

图 (a) 量子接口芯片的工作环境；图 (b) 温度与工艺精度相较于前沿研究展现出显著优势。

该基准电路能在 300 K 至 4 K 的超宽温度范围内实现高精度电压输出，并展现出优异的鲁棒性。

该设计采用标准 CMOS 180 nm 工艺，共测试了两个批次的 80 枚芯片（图（c））。测试结果如图 (d) 所示，仅需单次模型校准，即可实现跨批次免修调操作，基准的平均温度系数（TC）为 76.9 ppm / K，并且电压波动仅为 0.72%，具有很高的温度与工艺精度。

图 (c) 芯片显微镜照片；图 (d) 测试的两批次共 80 颗未修调芯片的温度曲线；图 (e) 稀释制冷机和自动计数系统的测量环境。

在 300 K 到 4 K 工作范围内仅消耗 195-304 nW 功耗，输出电压的均值为 1.045 V。该电压基准在标准 CMOS 工艺下实现了纳瓦级的超低功耗，并且对工艺、电压和温度变化（PVT）具有出色的稳定性。

它能够以较低的成本被集成到量子接口电路以及用于超低温环境下的宇航探测等芯片中，为这些超低温应用提供了可靠的解决方案。