本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是针对该研究的学术报告：
作者及研究机构
本研究的主要作者为Yatao Peng、Andrea Ruffino和Edoardo Charbon，他们均来自瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）的先进量子架构实验室。该研究于2021年7月发表在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》第56卷第7期上。
学术背景
本研究的主要科学领域是量子计算中的低温电子学，特别是用于量子比特读取的低温低噪声放大器（Cryogenic Low Noise Amplifier, Cryo-LNA）。随着量子计算平台的快速发展，量子比特的数量已增加到数十个，未来有望实现全功能的量子计算机。然而，量子比特的读取和控制需要高精度、低噪声的射频电路。目前，量子设备的读取和控制电路通常由离散器件组成，这增加了系统的复杂性。为了减少系统复杂性并提高读取链路的保真度，研究人员提出将读取和控制电路集成到单个芯片中，并在低温环境下工作。
低温低噪声放大器是量子比特读取链中的关键模块，因为它负责放大来自量子比特的微弱量子信息信号。传统的低温低噪声放大器主要使用III-V族器件或硅锗（SiGe）异质结双极晶体管（HBT），但这些器件成本高且灵活性有限。近年来，研究人员发现深亚微米CMOS晶体管在低温下表现良好，因此基于标准CMOS技术的低温低噪声放大器成为研究热点。
研究目标
本研究的目标是设计并实现一种基于40纳米CMOS工艺的宽带低温低噪声放大器，用于半导体量子比特的读取。该放大器需要在4.2 K的低温环境下工作，并具有低于1 dB的噪声系数（Noise Figure, NF），以支持高精度的量子信息读取。
研究流程
电路设计与分析：
- 本研究采用了一种基于共源极（Common Source, CS）级联结构的低噪声放大器设计，并通过源极电感退化（Source Inductive Degeneration, ID）和电阻-电容（R-C）负载技术实现宽带输入阻抗匹配。
- 输入晶体管的栅极-漏极电容（Cgd）被用于实现宽带输入阻抗匹配，并通过LC并联谐振电路（LC Tank）创建电容负载。
- 为了抑制级联晶体管的噪声，研究人员在级联晶体管的栅极添加了一个电感，并使用基于变压器的谐振器作为第一级的负载，以扩展工作带宽。
低温设计考虑：
- 由于标准工艺设计工具包（PDK）不提供超低温下的器件模型，研究人员通过电磁（EM）仿真和文献中的低温测量结果，提取了晶体管和电容在低温下的参数变化。
- 为了适应低温操作，研究人员对电路进行了多项修改，包括使用低阈值电压晶体管、调整偏置电压以及优化电感设计。
电路实现与参数：
- 该低噪声放大器采用三级级联结构，包括一个输入低噪声级和两个增益提升级，并通过输出缓冲器实现阻抗匹配。
- 主要电路参数包括：输入晶体管的栅极电感（Lg）、源极电感（Ls）、LC并联谐振电路的电感（Ld）和电容（Cd）等。
测量与结果：
- 在室温（300 K）下，该低噪声放大器的增益（S21）为35 ± 0.5 dB，回波损耗（Return Loss）大于12 dB，噪声系数为0.75–1.3 dB，功耗为51.1 mW。
- 在4.2 K的低温下，增益为42 ± 3.3 dB，噪声系数为0.23–0.65 dB，功耗为39 mW。
主要结果
- 该低噪声放大器在4.1–7.9 GHz的频带内实现了宽带输入阻抗匹配和低噪声系数。
- 在4.2 K的低温下，噪声系数低至0.23 dB，这是目前已知的首个基于体CMOS工艺、在4 GHz以上频率下实现低于1 dB噪声系数的低温低噪声放大器。
结论与意义
本研究成功设计并实现了一种基于40纳米CMOS工艺的宽带低温低噪声放大器，适用于半导体自旋量子比特的读取。该放大器在室温和低温下均表现出优异的性能，标志着向全集成量子比特读取平台迈出了重要一步。该研究的科学价值在于为量子计算中的低温电子学提供了新的解决方案，应用价值则体现在其低成本、高灵活性和高可靠性，有望推动量子计算技术的发展。
研究亮点
- 创新性设计：本研究首次在基于体CMOS工艺的低温低噪声放大器中实现了低于1 dB的噪声系数，并在4 GHz以上的频率下工作。
- 低温优化：研究人员提出了多项低温设计考虑，包括晶体管参数调整、电感优化等，确保了电路在4.2 K下的稳定工作。
- 宽带性能：该放大器在4.1–8.2 GHz的宽频带内实现了高增益和低噪声系数，适用于多量子比特的读取。
其他有价值的内容
- 本研究还详细分析了低温下晶体管电容和电感的变化，为未来低温CMOS电路设计提供了重要参考。
- 研究人员提出了一种基于变压器的谐振器设计，有效扩展了放大器的工作带宽，并减少了谐波干扰。
通过本研究，研究人员为量子计算中的低温电子学提供了新的设计思路和技术方案，具有重要的科学和应用价值。