3 月 20 日消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)于 3 月 10 日發(fā)布博文,，宣布其微電子學(xué)院程林教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳門大學(xué)羅文基教授團(tuán)隊(duì),，在超低溫量子接口基準(zhǔn)電路研究中取得重大進(jìn)展。

該研究首次提出了無需修調(diào)的超低溫低功耗 CMOS 電壓基準(zhǔn),，可在極端溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定輸出,，相關(guān)成果發(fā)表于固態(tài)電路領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Journal of Solid-State Circuits》（JSSC）。該技術(shù)為量子計(jì)算的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了關(guān)鍵支撐,。

技術(shù)背景

援引博文介紹,，大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)（如超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)）為了減少熱噪聲對(duì)量子比特的影響，需在接近絕對(duì)零度的環(huán)境下運(yùn)行,，因此量子計(jì)算機(jī)需要大量高保真量子位和控制接口電路,，以在室溫的經(jīng)典域和低溫的量子域之間傳遞信號(hào)。

在各類接口電路模塊中,，基準(zhǔn)電路至關(guān)重要,。為了確保在初始測(cè)試、熱過渡和系統(tǒng)異常等工作條件下的可靠性,，電壓基準(zhǔn)必須在稀釋制冷機(jī)到外界環(huán)境的溫度范圍內(nèi)（從 300K 到 4K）保持穩(wěn)定輸出特性,，這要求其對(duì)溫度波動(dòng)和工藝偏差具有極低的敏感性。

然而,，標(biāo)準(zhǔn) CMOS 器件在超低溫下會(huì)表現(xiàn)出閾值電壓漂移,、非線性效應(yīng)加劇、扭結(jié)效應(yīng)等問題,，這使得量子接口基準(zhǔn)電路的極端低溫環(huán)境適應(yīng)性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),。因此，設(shè)計(jì)高魯棒性,、適用于超低溫環(huán)境的量子接口基準(zhǔn)電路,，將有助于解決量子計(jì)算大規(guī)模應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)難題。

項(xiàng)目突破

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新性解決方案,，設(shè)計(jì)了一種無需修調(diào)的超低溫低功耗 CMOS 電壓基準(zhǔn)量子接口電路,，提出了同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度和工藝的自補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。

圖 (a) 量子接口芯片的工作環(huán)境,；圖 (b) 溫度與工藝精度相較于前沿研究展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì),。

該基準(zhǔn)電路能在 300 K 至 4 K 的超寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度電壓輸出，并展現(xiàn)出優(yōu)異的魯棒性,。

該設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 180 nm 工藝,，共測(cè)試了兩個(gè)批次的 80 枚芯片（圖（c））。測(cè)試結(jié)果如圖 (d) 所示,，僅需單次模型校準(zhǔn),，即可實(shí)現(xiàn)跨批次免修調(diào)操作，基準(zhǔn)的平均溫度系數(shù)（TC）為 76.9 ppm / K,，并且電壓波動(dòng)僅為 0.72%,，具有很高的溫度與工藝精度。

圖 (c) 芯片顯微鏡照片,；圖 (d) 測(cè)試的兩批次共 80 顆未修調(diào)芯片的溫度曲線,；圖 (e) 稀釋制冷機(jī)和自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的測(cè)量環(huán)境。

在 300 K 到 4 K 工作范圍內(nèi)僅消耗 195-304 nW 功耗,，輸出電壓的均值為 1.045 V,。該電壓基準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝下實(shí)現(xiàn)了納瓦級(jí)的超低功耗,，并且對(duì)工藝、電壓和溫度變化（PVT）具有出色的穩(wěn)定性,。

它能夠以較低的成本被集成到量子接口電路以及用于超低溫環(huán)境下的宇航探測(cè)等芯片中,，為這些超低溫應(yīng)用提供了可靠的解決方案。