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作者及研究机构
本研究的主要作者包括Quentin Schmidt、Baptiste Jadot、Brian Martinez、Antoine Faurie、Tristan Meunier、Jean-Baptiste Casanova、Xavier Jehl、Yvain Thonnart和Franck Badets。他们分别来自法国的CEA-Léti、Quobly、CEA-List和CEA-Pheliqs等研究机构。该研究发表于2025年IEEE国际固态电路会议（ISSCC 2025）。

学术背景
本研究属于量子计算与低温CMOS（Cryo-CMOS）电路领域。自旋量子比特（spin qubits）因其在大型容错量子计算中的潜力而备受关注，主要原因包括其小于1μm²的单个量子比特占地面积、高达1K的工作温度以及与工业CMOS工艺的潜在兼容性。然而，同时读取数千个量子比特的需求在功耗和占地面积方面提出了巨大挑战。现有的频率域多路复用（FDM, Frequency-Domain Multiplexing）架构虽然在一定程度上解决了这一问题，但仍存在功耗高、占地面积大等问题。本研究旨在开发一种低功耗、小面积的低温CMOS电荷读取集成电路（IC），并通过正交幅度调制（QAM, Quadrature Amplitude Modulation）技术提高多路复用效率。

研究流程
本研究分为以下几个主要步骤：
1. 电路设计与实现
研究团队设计了一种基于22nm FDSOI CMOS技术的电容反馈跨阻放大器（CTIA, Capacitive-Feedback Transimpedance Amplifier）。该电路在低温环境下实现了18.5μW/量子比特的功耗，相比现有电路降低了十倍，同时将单个量子比特的占地面积减少了一半。
2. 量子器件布局与特性分析
研究团队使用22nm FDSOI CMOS技术制造了PMOS和NMOS量子器件（QDs, Quantum Devices）。通过反向体偏压（reverse body-biasing）和正向体偏压（forward body-biasing），实现了双量子点（DQD, Double Quantum Dot）和单电子晶体管（SET, Single-Electron Transistor）两种工作模式。
3. QAM多路复用验证
研究团队验证了4-QAM和16-QAM多路复用技术在两个量子器件上的应用。通过调制信号的叠加和放大，实现了每个载波上多个量子比特的并行读取，显著提高了载波密度。
4. 性能测试与数据分析
在4.2K的低温环境下，研究团队对CTIA和缓冲器的增益、噪声和线性度进行了测试。结果表明，CTIA的增益为116dB·Ω，3dB带宽为15MHz，输入参考噪声为125fA/√Hz。同时，研究团队通过QAM调制技术成功读取了四个模拟量子比特的状态，并验证了其低误码率（BER=10^-3）和高信噪比（SNR）。
5. 稳定性图测量与多路复用技术比较
研究团队通过时间域、频率域和QAM多路复用技术分别测量了两个量子器件的稳定性图，验证了QAM多路复用技术在减少串扰和提高测量效率方面的优势。
6. 与现有技术的对比
研究团队将本研究的成果与现有技术进行了对比，结果显示，本研究的CTIA在功耗效率和占地面积效率方面分别提高了11.5倍和2倍，同时无需使用大体积电感，且与现有的调制方案和FDM技术兼容。

主要结果
1. 低功耗与小面积
本研究的CTIA实现了18.5μW/量子比特的功耗，相比现有技术降低了十倍，同时将单个量子比特的占地面积减少了一半。
2. QAM多路复用技术的成功应用
通过4-QAM和16-QAM多路复用技术，研究团队成功实现了每个载波上多个量子比特的并行读取，显著提高了载波密度和有效带宽（EBW）。
3. 高性能与低误码率
在4.2K的低温环境下，CTIA表现出高增益、低噪声和高线性度，同时通过QAM调制技术实现了低误码率（BER=10^-3）和高信噪比（SNR）。
4. 多路复用技术的验证与比较
研究团队通过时间域、频率域和QAM多路复用技术分别测量了量子器件的稳定性图，验证了QAM多路复用技术在减少串扰和提高测量效率方面的优势。
5. 与现有技术的对比优势
本研究的CTIA在功耗效率和占地面积效率方面分别提高了11.5倍和2倍，同时无需使用大体积电感，且与现有的调制方案和FDM技术兼容。

结论与意义
本研究成功开发了一种低功耗、小面积的低温CMOS电荷读取集成电路，并通过QAM多路复用技术显著提高了量子比特读取的效率和密度。该研究为大规模量子比特阵列的读取提供了新的解决方案，具有重要的科学价值和应用前景。此外，本研究的成果也为低温CMOS电路设计提供了新的思路和方法。

研究亮点
1. 低功耗与小面积设计
本研究的CTIA在功耗和占地面积方面实现了显著优化，为大规模量子比特阵列的读取提供了可行性。
2. QAM多路复用技术的创新应用
通过QAM多路复用技术，本研究成功提高了载波密度和有效带宽，为量子比特读取提供了新的解决方案。
3. 高性能与低误码率
本研究的CTIA在低温环境下表现出高增益、低噪声和高线性度，同时通过QAM调制技术实现了低误码率和高信噪比。
4. 多路复用技术的验证与比较
研究团队通过时间域、频率域和QAM多路复用技术分别测量了量子器件的稳定性图，验证了QAM多路复用技术的优势。
5. 与现有技术的对比优势
本研究的CTIA在功耗效率和占地面积效率方面显著优于现有技术，同时无需使用大体积电感，且与现有的调制方案和FDM技术兼容。

其他有价值的内容
本研究得到了法国国家研究机构（ANR）和欧洲QU-TEST项目的支持，研究团队还感谢了多位同事在项目中的贡献。此外，研究团队还提供了详细的电路设计图、测试结果图和实验装置图，为其他研究者提供了重要的参考。