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作者及机构
本研究的主要作者为Yatao Peng*1和Jad Benserhir*2，其他作者包括Yating Zou2和Edoardo Charbon2。1号作者来自University of Macau（澳门大学，中国澳门），2号作者来自EPFL（瑞士纳沙泰尔）。*表示这些作者为同等贡献作者（ECAs）。本研究发表于IEEE CICC 2024（IEEE定制集成电路会议）。
学术背景
本研究属于量子计算与低温电子学交叉领域，专注于超导量子比特（superconducting qubits）的控制技术。随着量子计算的发展，低温CMOS（cryo-CMOS）技术被提出以提高量子比特控制的紧凑性、可靠性和降低延迟。然而，传统的CMOS技术在低温环境下存在噪声和线性度问题。因此，本研究采用130nm SiGe BiCMOS（双极互补金属氧化物半导体）技术，设计了一种低温双中频（double-IF）单边带（SSB）控制器，用于超导量子比特的控制。研究的主要目标是实现高图像抑制比（IRR）、本地振荡器（LO）抑制比和无杂散动态范围（SFDR），同时减少复杂且功耗高的校准电路需求。
研究流程
1. 设计架构
本研究提出了一种低温超外差发射机（superheterodyne transmitter），采用双转换架构（dual conversion）而非直接转换或低中频（low-IF）架构。通过集成带通滤波器（BPF），实现了必要的图像抑制和LO抑制，避免了复杂的I/Q匹配校准电路。此外，设计还引入了频率多路复用（frequency multiplexing）技术，以支持多量子比特的控制。
混频器设计
研究设计了一种高线性度混频器（mixer），通过降低工作频率和引入跨导（gm）单元来增强线性度。gm单元采用IMD2（二阶互调失真）和IMD3（三阶互调失真）电流消除技术，通过合理设置电阻和静态电流参数，实现了IMD3电流的等幅反相抵消。此外，通过设置晶体管发射极面积比和电阻比，进一步消除了二阶互调失真（IMD2）。
滤波器设计
研究在芯片上集成了四阶椭圆LC带通滤波器（4th-order LC elliptic BPF）和巴伦（balun），实现了必要的带外抑制。在低温环境下，基板损耗显著降低，金属导电性提高，使得电感Q因子提升至约50，从而实现了高选择性的片上滤波器设计。
锁相环设计
研究设计了一种电荷泵锁相环（charge-pump PLL），用于生成两个混频器的LO信号。PLL采用C类模式（class-C mode）设计，避免了额外的启动电路，并利用SiGe HBT（异质结双极晶体管）的低1/f噪声特性，实现了低相位噪声（PN）和高频率调谐范围。
芯片测试
芯片在3.6K低温环境下进行了测试，结果显示输出信号功率为-40至-20 dBm，LO泄漏为-75至-50 dBm。芯片增益可通过可变增益放大器（VGA）在0至30 dB范围内调节，线性度测试显示P1dB为4 dBm。在5.7 GHz频率下，芯片的SFDR为30.8 dBc，IMD3、IRR和LO抑制比分别超过30 dBc、53 dBc和59 dBc。
主要结果
1. 混频器性能
通过优化设计，混频器的线性度显著提升，IMD2和IMD3失真得到有效抑制。
滤波器性能
片上滤波器实现了超过30 dB的带外抑制，插入损耗仅为3 dB。
锁相环性能
PLL在4K低温环境下，相位噪声为-123 dBc/Hz（1 MHz偏移）和-94 dBc/Hz（100 kHz偏移），功耗为1.83 mW。
芯片整体性能
芯片在低温环境下表现出良好的线性度和信号处理能力，支持多量子比特的频率多路复用控制。
结论与意义
本研究首次在SiGe BiCMOS工艺上实现了低温量子比特控制器，其性能在IRR、SFDR和LO抑制比方面优于现有技术。研究为量子计算中的低温控制电路设计提供了新的解决方案，具有重要的科学和应用价值。未来的工作将进一步集成任意波形发生器（AWG），以更好地展示BiCMOS技术在量子比特接口中的优势。
研究亮点
1. 创新架构
采用双转换架构和片上滤波器，简化了电路设计并提高了性能。
高线性度混频器
通过IMD2和IMD3消除技术，显著提升了混频器的线性度。
低温滤波器设计
利用低温环境下金属导电性的提升，实现了高Q因子的片上滤波器。
低噪声PLL
采用SiGe HBT技术，实现了低相位噪声和高频率调谐范围的PLL。
其他有价值内容
本研究得到了欧盟Horizon 2020研究和创新计划（资助号860713）和澳门科技发展基金（资助号0151/2022/A3）的支持。研究团队还展示了芯片在时间域测试中的表现，验证了其在量子比特控制中的实际应用能力。
通过本研究，低温量子比特控制技术迈出了重要一步，为未来量子计算系统的集成化和实用化奠定了基础。