研究前沿：硅量子点材料-Nature Electronics

导读：随着摩尔定律逐渐接近极限，硅基光电集成技术成为未来半导体技术发展的方向。量子点材料，已被用于发展高性能半导体器件，包括量子点激光器、量子点光电探测器及量子点太阳能电池等。为了获得低阈值、高温度稳定和高调制速率的量子点激光器，生长高质量、高增益的量子点材料，是非常关键的工作。

量子计算机变得越来越复杂，从大型分布式系统发展到紧凑集成的解决方案，亦成为关键。硅量子点的自旋量子比特Spin qubits in silicon quantum dots，有望提供了良好的可扩展性，因为携带自旋量子点和支持互补金属氧化物半导体（CMOS）电子设备，原则上都可以单片集成在单个芯片上。然而，基于工业标准CMOS技术的单片集成量子-经典混合电路仍然有限。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Andrea Ruffino，日立剑桥实验室Tsung-Yeh Yang在Nature Electronics上发文，报道了一种使用40nm CMOS技术制造的Millikelvin集成电路，该集成电路将硅量子点阵列与支持电子设备集成在一个架构中，该架构允许该阵列被有效地寻址和读取。该架构包含集成微波集总元件谐振器，用于分散感测量子点的电荷状态，通过列-行寻址分布中的数字晶体管进行调节。通过该芯片，演示了组合的时分和频分多路复用，可以次线性地扩展读出所需的资源和占用空间。

集成硅量子点和多路复用色散读写电子设备的低温CMOS芯片

图1：全集成低温CMOS量子-经典矩阵。

图2：门反射集成器件

图3：时间复用读出集成。

图4：集成时间和频率复用读出。

量子计算，比经典计算机更有效地解决计算问题，但构建必要的量子硬件，是一个相当大的技术挑战。在硅量子点中，单电子自旋，是一种很有前途的固态系统，可以创建以下硬件：长相干时间、高保真自旋读出，以及一个和两个量子位门满足了构建接近容错阈值的量子计算机基本要求。硅量子点通常使用定制工艺制造，不过有报道说，可以使用行业兼容或甚至行业标准工艺进行大规模制造。这些提议都有共性：（1）基于金属氧化物半导体metal–oxide–semiconductor MOS 的quantum dots，QD阵列来承载量子比特；（2）用于控制和读出的数字和模拟经典电子学。

完全系统集成，将会减小占用面积、信号同步简易性、减少延迟和最小化芯片间布线。然而，考虑到典型经典电子设备，在毫开尔文温度下，冷却功率可用性降低，可能集成的最终水平仍不确定。因此，探索集成的极限对于创建成熟的固态量子处理器至关重要。

对于硅而言，一种方法是在升高的温度（~1.2K）下操作量子比特，以便为经典电子学提供更大的冷却功率预算。然而，到目前为止，这是以降低保真度和/或相干时间为代价的。或者，在毫开尔文温度下，工作集成电路（IC）已经被生产用于控制、读出或信号多路复用，并且单个器件，已经被用于时间多路复用读出，然而，这些电路还没有与量子器件完全集成。

该工作重点是，将量子器件和经典电子器件完全集成在一个芯片上，该芯片在毫开尔文温度下，以有功率预算运行。与先前工作相比，可以色散读出，而不是直接电输运测量，这提供了更可扩展的读出机制。或者，也可以将量子器件与读出/控制电子设备分开，并设想在~3 K时，更大电路复杂性，其中可以处理这种微波收发器的更高功耗（~100 MW）。在未来，这两种方法可以结合起来，只留下量子-经典界面到毫开尔文级，并在更高温度下执行其他读出/控制功能。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00687-6

https://doi.org/10.1038/s41928-021-00687-6

本文译自Nature。

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