本文介绍了一项关于低温CMOS（Cryo-CMOS）宽带正交接收机的研究，该接收机集成了频率合成器，用于硅基自旋量子比特（spin qubits）的可扩展多路复用读出。该研究由Yatao Peng、Andrea Ruffino、Tsung-Yeh Yang、John Michniewicz、Miguel Fernando Gonzalez-Zalba和Edoardo Charbon等人共同完成，并于2022年8月发表在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》期刊上。

研究背景与动机

量子计算机被认为能够比经典计算机更高效地解决某些特定的计算问题。自旋量子比特和超导量子比特等固态量子比特是实现量子计算机的有力候选者。这些量子比特需要在极低温（ K）下工作以展现其量子特性。为了读取和控制量子比特的状态，研究人员提出了使用低温CMOS电路，这些电路可以放置在量子比特附近，以实现高效的读出和控制。

硅基自旋量子比特近年来取得了显著进展，例如较长的相干时间（T2 = 28 ms）、超过99.9%的容错读出和控制保真度，以及在较高温度（1.1 K）下的操作。这些进展为紧凑型硅量子计算机的实现奠定了基础。然而，现有的读出系统通常缺乏先进的多路复用和扩展功能，限制了量子计算机的规模化发展。因此，本文提出了一种集成了频率合成器的低温CMOS接收机，旨在实现硅基自旋量子比特的可扩展多路复用读出。

研究流程与方法

该研究的主要目标是设计一种能够在低温下工作的CMOS接收机，用于硅基自旋量子比特的射频（RF）反射测量读出。接收机的主要模块包括： 1. 低噪声放大器（LNA）：用于放大微弱的量子信号。 2. 正交混频器：将射频信号下变频到中频（IF）。 3. 复杂滤波器：用于抑制镜像噪声。 4. 中频放大器链：进一步放大中频信号。 5. 频率合成器：提供本地振荡器（LO）信号。

为了在低温下实现高性能，研究人员对LNA和正交混频器进行了噪声优化，并提出了模式切换互补电压控制振荡器（VCO），以在宽频率调谐范围内实现低功耗和低相位噪声。此外，研究人员还对电路进行了修改，以确保其在低温下的鲁棒性。

主要结果

实验测量表明，该接收机在3.5 K的温度下表现出优异的性能： - 平均增益为65 dB。 - 最小噪声系数（NF）为0.5 dB。 - 中频带宽为0.1–1.5 GHz。 - 镜像抑制比为23 dB。 - 功耗为108 mW。

这些结果表明，该接收机能够有效地读取量子比特的状态，并且具有较高的灵敏度和较低的噪声。此外，接收机的宽带宽设计使其能够同时读取多个量子比特，从而实现了频率多路复用。

结论与意义

本文提出的低温CMOS接收机是迈向完全集成的量子比特读出和控制系统的重要一步。该接收机不仅能够在极低温下工作，还具备高增益、低噪声和宽带宽等优点，适用于硅基自旋量子比特的射频反射测量读出。此外，该接收机的设计也为未来量子计算机的规模化发展提供了技术支持。

研究亮点

1. 创新性设计：本文提出了一种新型的低温CMOS接收机架构，集成了频率合成器，能够实现硅基自旋量子比特的多路复用读出。
2. 低温优化：研究人员对电路进行了低温优化，确保其在3.5 K的温度下仍能保持高性能。
3. 高灵敏度与低噪声：接收机的最小噪声系数仅为0.5 dB，能够有效读取微弱的量子信号。
4. 宽带宽设计：接收机的中频带宽为0.1–1.5 GHz，能够同时读取多个量子比特，提高了系统的可扩展性。

未来展望

本文的研究为未来量子计算机的集成化和规模化发展提供了重要的技术支持。未来的工作可以进一步优化接收机的功耗和噪声性能，并探索其在其他量子比特系统（如超导量子比特）中的应用。此外，随着量子计算技术的不断发展，低温CMOS电路的设计和优化将成为实现大规模量子计算机的关键技术之一。