本文介绍了一项关于低温CMOS（Cryo-CMOS）电路和系统在量子计算应用中的研究，由Bishnu Patra、Rosario M. Incandela、Jeroen P. G. van Dijk、Harald A. R. Homulle、Lin Song、Mina Shahmohammadi、Robert Bogdan Staszewski、Andrei Vladimirescu、Masoud Babaie、Fabio Sebastiano和Edoardo Charbon等作者共同完成，发表于2018年1月的《IEEE Journal of Solid-State Circuits》第53卷第1期。该研究旨在解决量子计算机中经典电子控制器与量子处理器之间的接口问题，特别是在低温环境下实现高精度、低噪声的控制和读取电路。
量子计算是一种基于量子力学原理（如纠缠和叠加）的新型计算范式，能够显著加速某些复杂问题的求解，如质因数分解、量子模拟和复杂优化问题。量子计算机的核心是量子处理器，由量子比特（qubits）组成，通常在极低温（几十毫开尔文）下运行。然而，随着量子比特数量的增加，传统的室温电子控制器在连接和控制量子处理器时面临巨大挑战，尤其是在复杂性和成本方面。因此，研究提出了在低温下运行的CMOS电路（Cryo-CMOS）作为解决方案，以实现更高的系统集成度和可扩展性。
该研究的主要目标是设计和验证一种能够在低温（4K）下运行的CMOS控制系统，用于量子比特的操控和读取。具体来说，研究团队设计并实验验证了两个关键子系统：一个用于自旋量子比特射频反射读取的低噪声放大器（LNA），以及一个用于量子比特状态操控的Class-F2,3数字控制振荡器。
研究分为多个步骤，主要包括以下几个部分：
低温CMOS器件特性分析： 研究首先对160nm和40nm CMOS工艺中的晶体管在300K和4K温度下的特性进行了详细分析。结果显示，低温下晶体管的载流子迁移率增加，导致漏极电流增加，但阈值电压也有所上升。此外，研究还观察到低温下晶体管的非理想特性，如“kink效应”和滞后现象。
低噪声放大器（LNA）设计： 针对自旋量子比特的反射读取需求，研究团队设计了一种噪声抵消的低噪声放大器。该放大器通过两个路径（M5和M3）将输入设备的噪声抵消，从而实现极低的噪声水平。放大器的设计优化了每个量子比特通道的功耗，目标是在4K温度下实现每量子比特150μW的功耗。
Class-F2,3振荡器设计： 为了满足量子比特操控的需求，研究团队设计了一种基于变压器的Class-F2,3振荡器。该振荡器通过引入辅助阻抗峰值来减少热噪声和闪烁噪声的上转换，从而在低温下实现极低的相位噪声。振荡器的设计还考虑了低温下晶体管的特性变化，确保其在4K温度下的稳定运行。
实验验证： 研究团队在160nm和40nm CMOS工艺中分别制造了LNA和振荡器的测试芯片，并在4K温度下进行了实验验证。结果显示，LNA在4K温度下的噪声系数（NF）为0.1dB，带宽为500MHz，能够支持150个量子比特通道的读取。振荡器在4K温度下的相位噪声为-147dBc/Hz，满足量子比特操控的需求。
低噪声放大器（LNA）：
Class-F2,3振荡器：
该研究成功验证了低温CMOS电路在量子计算应用中的可行性，展示了其在低噪声、高精度控制方面的优势。通过设计并实验验证了低噪声放大器和Class-F2,3振荡器，研究团队为未来大规模量子计算机的实现提供了关键技术支持。低温CMOS电路不仅能够显著减少量子处理器与经典控制器之间的复杂连接，还能提高系统的可靠性和集成度。此外，该技术还可应用于其他需要低温环境的领域，如空间探测和高能物理实验。
该研究为未来大规模量子计算机的实现提供了重要的技术基础，展示了低温CMOS电路在量子计算中的广泛应用前景。通过减少量子处理器与经典控制器之间的复杂连接，低温CMOS电路有望显著提高量子计算机的可扩展性和可靠性。此外，该技术还可应用于其他需要低温环境的领域，如空间探测和高能物理实验，具有广泛的应用价值。