科学家将工业CMOS技术用于制造硅基量子计算机

光子盒研究院出品

目前，量子计算机的物理实现方法有很多，其中硅基量子计算机的优势在于可以利用半导体行业丰富的制造经验。虽然今天CMOS(互补金属氧化物半导体)技术已经非常成熟，但使用工业CMOS技术生产硅量子比特的例子仍然很少。

最近，来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)、日立欧洲公司和剑桥大学的研究人员报告了一个使用40 nm工业CMOS技术制造的mk级低温集成电路(IC)，它集成了硅基量子处理器的三个关键组件：量子点(QD)阵列、使用行-列寻址来最小化控制线的数字电子器件以及用于多路复用读出的模拟LC谐振器，所有这些都工作在50 mK的低温下。

利用微波谐振器(6-8 GHz范围)，他们展示了量子点电荷状态的分散读出，并执行组合的时域和频域多路复用，实现了可扩展的读出，同时减少了整体芯片占用空间。

相关论文发表在《自然·电子学》[1]。

在低温CMOS芯片中，量子点位于最小尺寸晶体管的通道中，并被置于3×3阵列中。单个量子点可以通过数字晶体管随机寻址，使用行列结构来最小化输入的数量。读出使用基于门的微波反射计执行，这种技术很容易与工业CMOS技术兼容。

这个3×3阵列由9个相同单元组成，以类似于动态随机存取存储器(DRAM)的行-列随机存取配置排列。每个单元包含一个硅QD器件，表示为Qij，i, j=1,2,3，作为MOS晶体管实现。

如下图所示，在低温CMOS芯片中有三个集成LC谐振器，即谐振器1(蓝色)、谐振器2(红色)和谐振器3(绿色)，以及存取晶体管Tij、QD晶体管Qij、字线VWLj、数据线VDLi、源极电压VSij、偏置三通RT-CT和存储电容器CC。

本文中的集成电路

作者表示，在类似的研究中，他们的演示第一次结合了时域和频域多路复用，以最小化电路占用空间，另外，每个量子比特使用一个读出谐振器，同时保持一定程度的并行读出，非常适合量子纠错。这种方法可以同时有效地读取九个量子比特。

EPFL工程学院高级量子架构实验室(AQUA Lab)负责人Edoardo Charbon教授的博士生Andrea Ruffino是论文的第一作者。他表示：“我们的方法是基于使用时域和频域，基本思想是通过让三个量子比特与单个键一起工作来减少连接的数量。”他的方法还可以扩展到更大的量子比特矩阵。

Charbon表示：“Andrea证明了他的方法可以在普通计算机芯片上的集成电路上工作，并且温度接近量子比特，这是一个真正的突破，可能会推动大型量子比特矩阵系统与必要的电子器件集成在一起。这两种技术可以简单、有效、以可复制的方式协同工作。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41928-021-00687-6#data-availability

[2]https://actu.epfl.ch/news/making-quantum-computers-even-more-powerful/

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