在量子計(jì)算領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高保真度的量子位（Qubit）操作和讀取是至關(guān)重要的。量子計(jì)算的實(shí)用性在很大程度上依賴于能夠準(zhǔn)確控制和讀取大規(guī)模（10^6至10^9）物理量子位陣列的狀態(tài)。為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要高性能的量子到經(jīng)典界面電子設(shè)備，這些設(shè)備不僅要能夠減少量子位操作的錯(cuò)誤，還要簡(jiǎn)化布線復(fù)雜性，從而促進(jìn)量子反饋，為實(shí)際的量子錯(cuò)誤校正（QEC）和邏輯量子門鋪平道路。射頻反射測(cè)量（RF reflectometry）是一種廣泛采用的量子位狀態(tài)讀取技術(shù)，它通過檢測(cè)與傳感器量子位相關(guān)的高Q LC槽路的共振頻率來區(qū)分量子位狀態(tài)（坍縮為“0”或“1”）。

但傳統(tǒng)的異相反射測(cè)量方案存在一些挑戰(zhàn)，例如使用復(fù)雜的上/下混頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和相位鎖定環(huán)（PLL）進(jìn)行量子位激勵(lì)和下混頻，這些設(shè)備存在傳輸接收隔離差、互調(diào)干擾以及高直流功耗等問題，這些問題影響了可擴(kuò)展性和讀取保真度。

針對(duì)量子計(jì)算中量子位操作和讀取的挑戰(zhàn)，電子科技大學(xué)以及哈馬德·本·哈利法大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用了澤攸科技的低溫探針臺(tái)進(jìn)行了深入研究。他們提出了一種新型的雙量子位同相反射測(cè)量陣列，該陣列配備了高Q簡(jiǎn)并參數(shù)放大器（DPA），并通過動(dòng)態(tài)模式耦合技術(shù)來提高量子傳感的可擴(kuò)展性、增益和讀取保真度，這項(xiàng)研究發(fā)表在2023年IEEE亞洲固態(tài)電路會(huì)議上（DOI:10.1109/A-SSCC58667.2023.10347990）。

本研究的主要內(nèi)容是開發(fā)了一種新型的低溫CMOS集成電路，用于量子計(jì)算中的量子位狀態(tài)讀取。這項(xiàng)研究的核心貢獻(xiàn)包括設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙量子位同相反射測(cè)量陣列，該陣列通過一個(gè)單一的相位鎖定環(huán)（PLL）驅(qū)動(dòng)，配合高增益的簡(jiǎn)并參數(shù)放大器（DPA），以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子位狀態(tài)的高保真度讀取。

圖1. 提出的雙量子位同相反射測(cè)量陣列和傳統(tǒng)的異相反射測(cè)量?jī)x

如圖1所示，該陣列通過PLL驅(qū)動(dòng)的CML分頻器生成的快速調(diào)制的發(fā)射脈沖（fm=10~100MHz）發(fā)送到傳感器量子位對(duì)。經(jīng)過射頻反射后，高頻（HF）和低頻（LF）接收通道使用由相同TX PLL驅(qū)動(dòng)的DPA放大反射的TX脈沖。通過矢量調(diào)制（VM）仔細(xì)控制TX脈沖的幅度和相位，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)增益。隨后通過平方律檢測(cè)器和鎖定放大器依次執(zhí)行包絡(luò)檢測(cè)和基帶噪聲濾波。所提出的單PLL架構(gòu)大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。由于頻率選擇性參數(shù)放大、快速TX調(diào)制和鎖定檢測(cè)，抑制了閃爍噪聲和互調(diào)分量。在20mK下，約瑟夫森結(jié)參數(shù)放大器（JPA）通過行波放大展示了優(yōu)越的低溫性能。然而由于行波方案中的電感器在CMOS芯片上占用了大量面積，傳統(tǒng)的低溫CMOS參數(shù)放大器（PA）采用了低Q、單一諧振槽路（Q=5~15），并且與50Ω射頻輸入源電阻性耦合，顯示出低射頻增益和高噪聲。

圖2. 簡(jiǎn)并參數(shù)放大器（DPA）的工作原理、電路圖和電磁結(jié)構(gòu)。

研究還提出了一種簡(jiǎn)并參數(shù)放大器（DPA），如圖2所示。它通過將共模（CM）射頻輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)耦合到差分模式（DM），未加載的高Q諧振槽路（Q=30~40）中，提供了高參數(shù)射頻增益。所提出的DPA由一對(duì)反并聯(lián)非線性傳輸線（APNLTL）組成，配備積累模式PMOS變?nèi)荻O管、電感器和50Ω負(fù)載電阻。在APNLTL的上方，如果變?nèi)荻O管的陽極看到的CM射頻輸入信號(hào)與fpump=2fRF的泵浦信號(hào)相位對(duì)齊，則會(huì)進(jìn)行參數(shù)放大。然而在APNLTL的下方，CM射頻輸入信號(hào)在相同的相位對(duì)齊下通過看到變?nèi)荻O管的陰極而被衰減。因此在fpump=2fRF CM輸入的泵浦下，通過參數(shù)放大創(chuàng)建了一個(gè)fRF的DM信號(hào)。然后APNLTL在fRF處是半波長(zhǎng)，作為未加載的、高Q λ/2諧振器，用于高增益參數(shù)放大，因?yàn)镈M信號(hào)在APNLTL的兩端短路。

接下來DM信號(hào)從APNLTL中心耦合出來，以CM到DM的轉(zhuǎn)換，并由退化的NMOS對(duì)緩沖進(jìn)一步放大，以提高CM抑制。同時(shí)上述動(dòng)態(tài)模式耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有效的輸入到輸出隔離和由于CM到DM模式隔離而減少的反向泄漏。CM，行波射頻輸入信號(hào)在fRF和fpump處被50Ω負(fù)載吸收，用于阻抗匹配，在動(dòng)態(tài)模式耦合下保持不變。由于DM槽路的有效Q提高到30~40，DPA不僅提供了更高的射頻增益（>20dB），而且還執(zhí)行了頻率選擇性濾波以減少輸入干擾。

圖3. DPA的噪聲模型，帶有數(shù)字延時(shí)線（DDL）的快速調(diào)制CML分頻器，芯片照片，以及4.2K測(cè)量設(shè)置

此外，研究還介紹了在低溫環(huán)境下對(duì)芯片進(jìn)行的測(cè)試，包括電容-電壓（C-V）特性測(cè)試和噪聲溫度的測(cè)量，這些測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提出電路設(shè)計(jì)的有效性和優(yōu)越的低溫性能。通過與傳統(tǒng)的異相反射測(cè)量方案相比，所提出的方案在直流功耗、帶寬、增益和量子位讀取方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。

本研究中使用的澤攸科技低溫探針臺(tái)主要用于在低溫環(huán)境下測(cè)試和測(cè)量芯片的性能。這個(gè)設(shè)備允許研究人員在接近量子計(jì)算機(jī)操作溫度的條件下，對(duì)芯片進(jìn)行準(zhǔn)確的電容-電壓（C-V）特性測(cè)試。通過這種測(cè)試，研究人員能夠評(píng)估變?nèi)荻O管在不同溫度下，特別是從室溫298K降低到低溫10K時(shí)，電容的可調(diào)性和品質(zhì)因數(shù)的變化。這樣的測(cè)試對(duì)于驗(yàn)證和優(yōu)化超導(dǎo)量子位的讀出和控制電子設(shè)備在實(shí)際量子計(jì)算應(yīng)用中的性能至關(guān)重要。澤攸科技低溫探針臺(tái)的使用確保了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，因?yàn)樗峁┝吮匾牡蜏丨h(huán)境和準(zhǔn)確的測(cè)量能力，這對(duì)于評(píng)估和改進(jìn)量子計(jì)算系統(tǒng)中使用的CMOS集成電路的性能是不可或缺的。