本文介绍了一项关于低温CMOS（Cryo-CMOS）接收机的研究，该接收机专为可扩展量子计算应用设计，能够在5.2-7.2 GHz频段内工作，并实现了每量子比特（qubit）低于1毫瓦的功耗。该研究由A. Nagulu（华盛顿大学圣路易斯分校）、L. M. Ranzani、G. J. Riebell、M. V. Gustafsson、T. A. Ohki（Raytheon BBN Technologies）和H. Krishnaswamy（哥伦比亚大学）共同完成，并于2023年发表在IEEE定制集成电路会议（CICC）上。

研究背景与动机

量子计算作为一种革命性的计算范式，依赖于量子比特的精确控制和读取。随着量子计算机规模的扩大，量子比特数量可能达到数万甚至数百万个，这对控制和读取电路提出了极高的要求。传统的量子比特读取系统通常依赖于高电子迁移率晶体管（HEMT）低噪声放大器（LNA），但这些系统需要将信号从低温环境传输到室温环境，导致复杂的高速互连和较高的功耗。低温CMOS控制与读取电路的出现为解决这一问题提供了新的可能性。通过将接收机与量子处理器紧密集成在低温环境中，可以显著减少功耗并简化系统设计。

本研究的目标是设计一种低功耗、宽带的低温CMOS接收机，用于量子比特的读取。该接收机需要在3-4K的低温环境下工作，并实现每量子比特低于1毫瓦的功耗，同时具备高增益、低噪声和宽带宽的特性。

研究方法与流程

研究团队设计并实现了一种宽带的I/Q下变频低温CMOS接收机，其核心设计包括以下几个部分：

1. 低噪声放大器（LNA）设计：采用两级级联共源极放大器，通过引入源极退化电感（inductive source degeneration）实现低噪声、高增益和低功耗。为了扩展输入匹配带宽，研究团队在LNA输入端增加了并联电感，将带宽扩展至中心频率的35%。

2. I/Q射频跨导器：采用自偏置互补共源极拓扑结构，通过4位数字控制调节NMOS和PMOS晶体管的有效宽度，以优化射频性能并应对低温下的阈值电压和迁移率变化。

3. I/Q无源混频器：为了解决低温下器件的高闪烁噪声问题，研究团队设计了一种由方波时钟驱动的无源混频器，消除了混频器开关的闪烁噪声贡献。

4. 基带放大器：采用两级差分电流注入跨阻放大器（gm-R amplifier），在近阈值电压下工作，通过可调电阻和电容负载实现增益和带宽的独立调节。

5. 时钟生成电路：通过外部差分正弦波生成4相50%占空比的本地振荡器（LO）信号，确保时钟信号不会泄漏到射频输入端，从而避免对量子比特的干扰。

实验结果与性能

该接收机在65nm CMOS工艺中实现，并在4K低温环境下进行了测试。实验结果表明，该接收机在1.9 GHz的中频带宽内实现了超过50 dB的转换增益，噪声系数（NF）仅为0.7 dB，功耗为17 mW。与之前的研究相比，该接收机的功耗降低了3-5倍，同时保持了相似的噪声、带宽和增益性能。

此外，研究团队还将该接收机与一个4.3 GHz的超导Transmon量子比特集成，成功实现了量子比特的读取和Rabi振荡测量。实验结果显示，该接收机能够有效地驱动量子比特从基态到第一激发态的跃迁，并观察到典型的Chevron模式。

研究意义与价值

本研究首次实现了每量子比特低于1毫瓦的低温CMOS接收机，为未来大规模量子计算系统的实现提供了重要的技术支撑。该接收机的低功耗、高增益和宽带宽特性使其成为量子比特读取的理想选择，同时其低温集成设计简化了系统架构，减少了高速互连的需求。此外，该研究还展示了量子比特读取的多路复用潜力，进一步提升了系统的可扩展性。

研究亮点

1. 低功耗设计：通过近阈值操作和低闪烁噪声无源混频器等技术，实现了每量子比特低于1毫瓦的功耗。
2. 宽带宽与高增益：在1.9 GHz带宽内实现了超过50 dB的转换增益，噪声系数仅为0.7 dB。
3. 低温集成：成功将接收机与量子比特集成在4K低温环境下，展示了其在未来量子计算系统中的实际应用潜力。
4. 多路复用潜力：通过频率复用技术，实现了多个量子比特的读取，为大规模量子计算系统提供了可行的解决方案。

总结

本研究在低温CMOS接收机设计领域取得了重要突破，为未来大规模量子计算系统的实现奠定了技术基础。其低功耗、高增益和宽带宽的特性使其成为量子比特读取的理想选择，同时其低温集成设计简化了系统架构，减少了高速互连的需求。该研究的成功不仅具有重要的科学价值，还为量子计算的实际应用提供了新的可能性。