量子系统，如何实现低温控制？| 技术解析

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硅基互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术现在可以用来在一个芯片上容纳超过10亿个晶体管。然而，相关器件扩展也带来了与功率耗散有关的、相当大的挑战。为了规避这一问题，人们正在探索许多超越CMOS的技术——包括超导单磁通量子(SFQ)电路。SFQ电路和系统基于超导器件，如约瑟夫森结(JJs)和超导量子干涉器件(SQUIDs)，由于超导体中的电流无损耗，通常比其CMOS对应产品更快、更节能。目前，由于缺乏与SFQ电路性能兼容的快速、低功耗、高密度的低温存储器，限制了实用和可靠的SFQ系统发展。

在开发量子计算机时也需要低温存储器。量子计算机可以用来解决商业和科学上的重要问题——这些问题是经典计算机在现实的时间范围内无法处理的。量子比特是量子计算机的基本计算单元，需要放在低温环境下以避免热噪声的影响。此外，尽管有许多技术被用来实现量子比特，但超导量子比特由于其非耗散性和强烈的非线性行为而备受关注。为了保证超导体所需的环境，超导量子比特必须放置在低温下。因此，为了实现具有成千上万个量子比特的量子计算机，需要一个合适的低温存储器。

那么问题来了：低温存储技术现状如何，又将如何发展？

目录

· 对低温存储器的需求

· 低温、非超导存储器

· 超导存储器

· 混合存储器

· 技术对比与展望

图1 低温存储器技术的优势和分类。a）超导量子计算机的结构；可能的存储器位置是4K、77K和300K。b）降低工作温度会导致速度的明显增加和能量的减少。c）低温温度对传统CMOS器件的影响。较低的温度改善了CMOS存储器的速度、功率要求、保留时间和可靠性。VT代表晶体管的阈值电压，VDD表示电源电压。d）最先进的低温存储器技术分类

由于超导器件所提供的更快、更节能的操作，超导电子器件可用于解决CMOS技术所面临的速度和功率问题。

然而，超导设备必须在低温（4K或以下）环境下运行，以保证超导体有合适的运行环境。因此，为了实现高能效的超导电子器件，需要一个合适的存储器、逻辑电路和在低温下运行的互连。目前，缺乏可扩展和兼容的4K存储器是一个关键的挑战，限制了超导电子器件的应用。现有的超导处理器要求使用4K存储器，因为物理上的接近性带来了较低的功率和延迟。

一个典型的量子计算机有三个主要组成部分：一个量子基底（量子比特），一个控制处理器和一个存储块。为了保护对噪声敏感的量子比特的量子状态，量子比特被放置在几毫开的温度下。在目前的实验室规模的量子计算机中，室温(300K)下的传统计算机被用作控制处理器，并且需要长的控制电缆来连接量子比特和控制处理器。这种结构对于少量的量子比特来说效果很好，但它不能扩展到几百个量子比特，因为会需要大量的电线来建立室温控制处理器和低温下的量子比特之间的连接。

然而，量子计算机需要扩大到至少数千个量子比特才能发挥作用。例如，要在1024位数上运行Shor的素数分解算法，需要两个量子寄存器(quantum register)：一个有2048个量子比特，另一个有1024个量子比特。

因此，控制处理器的温度应与使用超导互连（具有无耗散特性）的量子比特的温度非常接近。然而，为了使用超导互连，控制处理器需要放在4K或以下的温度。这就限制了可以与量子计算机一起使用的存储器类型：不能使用室温存储器，因为室温存储器和低温控制处理器之间的互连将有相当大的热泄漏。这种泄漏源于室温和低温之间的巨大温差（约300K），并导致热噪声，其大小足以破坏量子比特的量子状态。与超导控制处理器兼容的低温4K存储器可以用来规避这个问题。

对量子计算机的存储设备的另一个要求是高容量(high capacity)。最先进的量子算法需要大量的任意旋转(arbitrary rotation)，这最终需要一个大的程序存储器。此外，为了保持量子比特状态的数据完整性，量子比特要经历连续的纠错方案，这需要大量的内存和带宽。

虽然4K内存应该允许量子计算机的可扩展性，并提供非常低的热泄漏，但将内存置于高于处理器温度的选项也已被探索。这是因为将存储器系统冷却到4K的成本要比室温存储器高200倍左右。事实上，为了降低成本，存储器也可以放在比4K更高的温度下（如77K），尽管这时会有少量的热泄漏。

有一系列的设备技术可以用于SFQ电路和量子计算，我们将最先进的低温存储器技术分为三大类：低温非超导存储器、超导存储器和混合存储器。

非超导器件由于其技术的成熟性和高存储容量而成为低温存储器的主要候选者。已有研究表明，制造的CMOS器件和电路可以在4K下、比在室温下更好地运行；然而，在4K下工作需要更高的成本。因此，在稍高的温度下工作有可能提供一个优化的解决方案。

一个典型的低温（稀释）制冷器的温度水平是20 mK、4 K、77 K和120 K。实践中，大多选择在77K/120K下运行CMOS存储器操作：与在4K下工作相比，这可以减少成本，但仍然可以大大减少泄漏电流并改善载流子的流动性，从而提高访问晶体管的驱动能力和整个存储器操作。重要的是，这些温度在CMOS器件的理想工作温度范围内。然而，虽然这种方案可能适用于较小的量子计算机，但由于77K/120K存储器和4K控制处理器之间的大量连接（以及由此产生的热损失），它肯定会限制量子计算机的扩展。此外，一些新兴的存储器已被报道显示在4K温度下成功运行。

我们可以将非超导存储器分为两类：电荷型和电阻型。

1）基于电荷的存储器

在基于电荷的存储器中，数据被存储在一个小电容中。电容器可以被充电或放电，这就提供了单元中的两种存储状态（‘0’和‘1’）。这些CMOS动态随机存取存储器(DRAM)有两个主要类别：带电容的DRAM（称为“单晶体管单电容（1T1C）DRAM”）和无电容的DRAM（称为“单晶体管（1T）DRAM”）。

- 1T1C DRAM

图2 非超导电荷型存储器的低温特性

1T1C DRAM是低温存储器的有力候选者，因为其技术成熟、存储容量大，而且由于电池晶体管的结漏减少，在低温下的性能有望得到改善。

在20世纪80年代末，IBM公司展示了低温(85K)、512Kbit和4Mb的DRAM，与室温下的DRAM相比，在速度和保持时间上都有改进。在较低温度下的高载流子迁移率导致这些DRAM在低温下的性能有明显的改善。2017年，他们开发了一个实验装置来描述用于量子计算应用的高密度DRAM，并用于检查80K至160K温度范围内的DRAM芯片。通过测试来自六个不同供应商的55个双线内存模块（有750个DRAM芯片），结果表明，超过90%的测试芯片在低温下继续工作。而且，在低温下观察到的错误模式（主要是瞬时错误和永久错误）是不相关的错误，可以用传统的校正方案来解决。后续科学家也研究了在量子计算系统中使用77K DRAM的可行性，并表明它们在77K下工作良好，没有任何功能错误。然而，77K DRAM的关键挑战是需要一个具有低导热性的链接接口（柔性电缆）来连接到置于4K的控制处理器。

另一个版本的CMOS DRAM是三晶体管(3T)DRAM单元（图2b），其中两个额外的晶体管被用于读出。与1T1C DRAM相比，3T DRAM单元的优点是3T DRAM需要更简单的外围电路进行写入/读取。3T DRAM单元在4K的混合Josephson-CMOS存储器的实施中已经得到了表征，与300K相比，4K的速度提高了40%、功率消耗降低了30%。

- 1T DRAM

由于与1T1C DRAM单元相比，其结构更具可扩展性，无电容单晶体管DRAM(1T DRAM)器件已被用于开发高密度存储器系统。

2019年，一个低温的1T DRAM单元（在380K到80K的温度范围内工作）通过一个部分耗尽的硅绝缘体(PDSOI)n型金属氧化物半导体场效应晶体管(n-MOSFET)与一个浮动体实现（图2d）。无电容DRAM单元的主要缺点之一是有可能出现保留故障；低温的使用缓解了这种故障。图2显示了静态保持时间(retention time)ts,ret（保持操作期间）和动态保持时间td,ret（读取操作期间）的温度依赖性，表明在较低温度下有很大的改善。例如，与80K相比，动态保持时间延长了104倍（图2e），电流感应余量增加了2.5倍（图2f）。

2）基于电阻的存储器

基于电阻的存储器与基于电荷的存储器相比，具有更好的可扩展性（低至纳米级）、更快的速度（纳秒级的开关时间）、更低的功耗和免刷新操作(refresh-free operation)。此外，基于电阻的存储器提供了非挥发性(non-volatility)，这意味着与基于电荷的DRAM相比具有更好的能源效率。在这些存储单元中，两个电阻状态（被称为高电阻状态(HRS)和低电阻状态(LRS)定义了两个存储状态（‘0’和‘1’）。基于电阻的存储器包括可变电阻式、铁电、自旋电子、基于量子反常霍尔效应(QAHE)和基于相变的存储器（图3）。

图3 非超导电阻型存储器。a-d）ReRAM（a）、铁电（b）、自旋电子（c）和基于QAHE（d）的存储器件的结构示意图。e-h中显示的特性显示了HRS和LRS，它们定义了两种存储器状态。

- 可变电阻式存储器

可变电阻式随机存取存储器(ReRAM)，即金属-绝缘体-金属器件（图3a），由于其亚纳秒级的开关时间、低开关能量（<0.1 pJ/位）、出色的可扩展性（低至几纳米）、耐用性（10^10次）和CMOS兼容性，是低温存储器的首选。

这些器件的电流(I)-电压(V)特性显示了一种热敏反应，其中观察到两种不同的电阻状态（HRS和LRS）（图3e）。在许多材料系统中已经观察到电阻开关，包括二元过渡金属氧化物（如NiO、TiO2和HfO2）、尖晶石型氧化物、硅氧化物和单分子系统。其中，基于HfO2的ReRAMs显示出作为低温存储器的最大前景。

- 铁电存储器

铁电存储器是目前最有前途的存储设备之一。它们有两种主要类型：基于铁电电容(FeCap)的1T1C存储器和基于铁电场效应晶体管(FeFET)的1T存储器。FeCap存储器的构造与ReRAMs相似，唯一的区别是使用了铁电层而不是电介质/绝缘层（图3b），它提供了非挥发性。FeCap的特征是滞后极化与电场的关系曲线（图3f）。FeCap存储器的优点包括速度快（纳秒级的开关时间）、耐力大（约10^10至10^14个周期）和超过10年的保留时间。然而，破坏性的读取操作是FeCap存储器的一个主要问题。

FeFET存储器通过提供独立的读/写路径以及快速（约纳秒）的编程/擦除时间来避免破坏性的读取。因此，在过去的几十年里，铁电材料（FeFET的一个组成部分）的特性已经被广泛地研究到了毫开文的温度范围。最近，含有硅掺杂的氧化铪（Si:HfO2）作为铁电层的n型FeFET的低温特性被研究到6.9K。这表明，温度的降低导致了内存窗口的增加，而代价是程序/擦除电压的增加。

为了探索实现低温FeCap和FeFET存储器的可行性，一些铁电材料已经在低温下被描述出来。这包括SrTiO3、氧-18取代的SrTiO3和KTaO3，温度高达50K；PbZr0.5Ti0.5O3薄膜，温度高达4K和反铁电二氧化锆，温度高达50mK。随着温度的降低，PbZr0.5Ti0.5O3薄膜的矫顽力场增加，反铁电二氧化锆的矫顽力场减少。对于PbZr0.5Ti0.5O3薄膜，饱和和残余极化在低温下不断增加。这些研究表明，在低温条件下，铁电存储器必须进行设计权衡。

- 自旋电子存储器

自旋电子存储器（磁性随机存取存储器，MRAMs）由于其非易失性、高容量、快速（开关时间小于1ns）和低功耗操作、高耐久性（超过10^15次）和长保留时间（约10年），有可能超过CMOS电荷型存储器。

MRAM的基本构件是一个磁隧道结(MTJ)、由两个铁磁材料（自由层和钉子层）组成，中间有一个薄的绝缘层（屏障氧化物）。对于两个磁层（自由层和夹层）的平行和反平行磁化，在MTJ中观察到两个级别的磁网电阻，这被用来定义存储状态。

- 其他基于电阻的存储器

除了传统的基于电阻的存储器外，还可以利用奇异的量子现象来构建低温存储器。例如，已经提出了一种基于QAHE的低温非挥发性存储器。QAHE是霍尔电阻在±h/e2（其中h是普朗克常数，e是电子的电荷）下的精确量化，没有外部磁场。基于QAHE的存储器使用这些量化的霍尔电阻状态(±h/e2)在扭曲的双层石墨烯摩尔异质结构中观察到，以定义存储器状态。

相变随机存取存储器(PCRAM)是另一种新兴的非挥发性存储器。PCRAMs由于其非挥发性、快速和可扩展性，已经被探索用于存储应用。

表1 总结了基于电阻的低温存储器的相关报告

基于JJ和SQUID的SFQ技术已经成为设计量子计算机控制处理器的一种有前途的平台。SFQ处理器可以在超低温度(4K)下运行，具有高速度（接近太赫兹）和低开关能量(0.1-1 aJ)。尽管非超导存储器可以提供出色的可扩展性，但与超导SFQ电路和系统相比，它们的功率需求更高、提供的速度更低。因此，超导存储器是低温应用的一个明显选择。然而，超导体-绝缘体-超导体（SIS）JJ和基于SQUID的存储器由于单元面积大（几百平方微米），基于变压器的地址线耦合和磁通量捕获，会提供不合理的低存储容量。

磁通量的捕获是超导电路的一个主要问题，对性能有不利影响。通常情况下，磁通量的捕获发生在金属薄膜转变为超导状态的冷却过程中。捕获的磁通以两种方式影响超导电路：它们可以穿透JJ，或者与磁通门耦合。防止磁通捕获的第一步是屏蔽地球磁场（尽管这不能完全解决这个问题）。因此，有必要在超导芯片上保留一些空间，使冻结的涡流远离芯片的磁敏感部分。大多数基于JJ的存储器使用了与变压器耦合的地址线，而变压器是对磁敏感的。因此，这种磁通捕集对基于JJ和SQUID的存储器的集成密度造成了限制。

除了存储容量，大规模的能源效率也是一个问题。已经证明现有的超导存储器消耗了太多的能量，因此不能在4K的条件下作为存储器使用。

三种替代技术是磁性JJ（MJJ）存储器、基于超导记忆体的存储器和基于铁电SQUID的存储器，它们有可能提供高容量、高速度和高能效，同时能够与SIS JJ集成在一个芯片上。

图4 基于JJ的超导存储器。

在过去的几十年里，基于SIS JJ的低温存储器设计已经获得了相当大的研究关注。尽管有这些努力，这些设计仍然存在容量低的问题，到目前为止，只有4千比特的存储器在实验中得到了证明。

SIS JJ是超导电子学的主要构件，是基于超导量子比特的量子计算机的控制处理器。因此，一种与SISJJ的速度、功率和制造方法相适应的存储器应该是低温计算机的有力候选者。然而，基于SISJJ的存储器存在容量低的问题。在20世纪90年代，结合铁磁和超导材料来开发高容量低温存储器的想法被探索出来，作为基于SISJJ的存储器的替代方案。

——MJJ是约瑟夫森结的一个版本，通过将铁磁性层夹在两种超导材料之间来构建（图5a）。MJJ和SISJJ具有相同的制造工艺，因此MJJ可以与SISJJ集成在一个芯片上。MJJ最重要的优势是它们能够处于相位差反转的约瑟夫森状态：π状态。

图5 MJJ、超导记忆器(ScM)和铁电SQUID-基超导存储器

最新的低温存储器设计之一是使用超导记忆器作为存储元件。超导记忆体可以用一个电导不对称SQUID(CA-SQUID)来创建，利用JJs的相位依赖电导（图5d）。这种超导记忆体在其I-V特性中表现出一个捏合的滞后环（让人联想到理想的记忆体），并将传统记忆体的可扩展性与JJs的超快速度和高能量效率相结合。

铁电SQUID(FeSQUID)是一种混合的超导体-铁电装置，其中包含两个平行的、弱链接的SQUID被制造在铁电基底之上（图5g）。铁电层有一个可切换的极化，可以通过电压偏置来控制（图5h）。

传统的非超导存储器具有很好的可扩展性，但与基于JJ的控制处理器相比，其速度较低、功率需求较大。然而，基于SISJJ的超导存储器则存在容量非常低的问题。为了结合这两种技术的优势，人们提出了混合存储器。混合设计是开发高速、节能和高容量低温存储器的一种有前途的方法。

在这种方法中，高度可扩展的存储器（如静态RAM、DRAM、MRAM等）被用作存储元件，而基于JJ的超导器件被用来访问它们（图6a）。

混合半导体-超导体存储器。a）混合存储器系统的开发说明，其中非超算技术被用作存储器系统，而超导技术被用于访问存储器；b）参考文献中提出的用于低温应用的混合存储器系统的例子。

在已有的混合存储器中，两种技术被放置在同一温度下。然而，也有人探索了一种混合低温存储器系统，其中两种技术被放置在不同的温度下：这种方法整合了室温下的高密度半导体存储器和高速的4.2K快速单通量量子(RSFQ)高速缓存，它与RSFQ处理器集成在一个芯片上。由于室温存储器和低温高速缓存之间的相互连接，该方法不适合大规模量子计算机；然而，由于半导体存储器的高容量和超导器件的快速读出能力，它适用于数字射频接收器。

与其他存储器技术相比，非超导存储器相对成熟；而新兴的超导存储器可能需要很长一段时间才能赶上。与超导存储器相比，所有的非超导存储器都具有更好的可扩展性。大多数传统存储器也表现出在4K条件下的成功运行（甚至在某些情况下有性能改进），这意味着这些存储器在工作温度方面适合与超导控制处理器集成。

然而，与快速和节能的超导SFQ电路、系统和处理器相比，4K非超导存储器存在低速和高功率问题。因此，非超导存储器将需要一个基于CMOS的控制处理器，因为它们不能以与SFQ电路相同的速度和相同的功率预算运行。

基于SIS JJ和SQUID的新兴超导存储器由于其4K的操作和与控制处理器在操作温度、速度和功率方面的出色兼容性而具有吸引力。剩下的一个重要挑战是为量子计算机和其他应用实现一个高容量的存储器系统。为了解决可扩展性问题，基于MJJ的存储器和混合变体很有希望。然而，这两种方案都有其自身的挑战。基于MJJ的存储器提供了与基于SIS JJ的SFQ电路、系统和处理器在同一芯片、工作温度、速度和功率上的集成兼容性。但是，合适的铁磁材料还没有找到，部分原因是它们受到铁磁层厚度引起的波动和临界电流的严重压制；此外，基于MJJ的存储器的阵列设计也很有挑战性。

混合方法可以用来解决非超导存储器和新兴超导技术所面临的问题。它结合了两种技术的最佳特点，如非超导存储器的成熟和高容量，以及超导电路的快速和高能效操作。只要超导存储器的可扩展性问题持续存在，混合存储器可能是低温应用中最可行、最兼容的选择。

量子计算机和超导SFQ电路和系统可以解决经典计算机和CMOS电子的局限性和挑战。然而，由于缺乏一个兼容的低温存储系统，目前它们仍被限制在利基应用中。非超导存储器的低温版本提供了很大的容量，但遭受到与SFQ控制处理器的速度和功率兼容问题；相反，基于JJ的新兴存储器与控制处理器和SFQ电路兼容，但由于其较大的尺寸和电感耦合的要求，它们缺乏扩展性。混合存储器可以结合超导和非超导技术的优势。然而，设计合适的接口电路仍然是一个挑战。

此外，为了获得可靠的超导和混合存储器，工作温度必须保持在超导材料的临界温度以下。工作温度的波动如何影响超导和混合存储器系统的可靠性也还没有被探索出来。

因此，低温存储器技术的发展需要利用新型材料、设备和架构进行广泛的未来研究。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-023-00930-2

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