Китайские исследователи разработали эталонный чип для квантового интерфейса при сверхнизких температурах

Ученые добились значительного прогресса в изучении эталонных схем квантовых интерфейсов при сверхнизких температурах. Это исследование стало первым, в котором была предложена сверхнизкотемпературная маломощная КМОП-схема эталонного напряжения, не требующая настройки и способная к самокомпенсации при изменении температуры и технологических процессов.

С быстрым развитием технологий квантовых вычислений квантовые процессоры предъявляют всё более строгие требования к качеству кубитов, масштабируемости, исправлению квантовых ошибок, контролю окружающей среды и точности вычислений.

В настоящее время большинство квантовых компьютеров, таких как сверхпроводящие квантовые компьютеры, должны работать при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы свести к минимуму влияние теплового шума на кубиты. Поэтому для квантовых компьютеров требуется большое количество кубитов высокой точности и схемы интерфейса управления для передачи сигналов между классической областью при комнатной температуре и квантовой областью при низких температурах.

Среди различных интерфейсных модулей опорная схема имеет решающее значение. Для обеспечения надёжности при различных условиях эксплуатации, таких как первичное тестирование, тепловые переходы и системные аномалии, опорное напряжение должно сохранять стабильные выходные характеристики в диапазоне температур от испарительного холодильника до внешней среды (от 300 К до 4 К). Это требует чрезвычайно низкой чувствительности к колебаниям температуры и изменениям в процессе.

Однако стандартные КМОП-устройства демонстрируют дрейф порогового напряжения, усиление нелинейных эффектов и изгибные эффекты при сверхнизких температурах, что создаёт значительные трудности для адаптации эталонных схем квантовых интерфейсов в условиях экстремально низких температур.

Таким образом, разработка высоконадёжной эталонной схемы квантового интерфейса, подходящей для сверхнизких температур, поможет решить ключевые технические проблемы, связанные с крупномасштабным применением квантовых вычислений.

С этой целью исследовательская группа разработала сверхнизкотемпературную КМОП-схему квантового интерфейса с низким энергопотреблением, которая не требует настройки, и предложила технологию, обеспечивающую самокомпенсацию как температурных, так и технологических отклонений.

Эта эталонная схема обеспечивает высокоточный выходной сигнал напряжения в широком диапазоне температур от 300 К до 4 К и демонстрирует исключительную надёжность.

В конструкции используется стандартный КМОП-техпроцесс 180 нм, в общей сложности было протестировано 80 микросхем из двух партий (как показано на изображении (c)). Результаты тестирования, показанные на изображении (d), свидетельствуют о том, что при калибровке только одной модели можно добиться бесперебойной работы без подстройки между партиями. Опорный контур имеет средний температурный коэффициент (ТК) 76,9 ppm/K, а колебания напряжения составляют всего 0,72%, что свидетельствует о высокой температурной и технологической точности.

При работе в диапазоне от 300 К до 4 К схема потребляет всего 195–304 нВт мощности при среднем выходном напряжении 1,045 В. Этот источник опорного напряжения обеспечивает сверхнизкое энергопотребление на уровне нановатт при использовании стандартного КМОП-процесса и демонстрирует превосходную стабильность при изменении технологического процесса, напряжения и температуры (PVT). Его можно интегрировать в схемы квантовых интерфейсов по низкой цене и применять в условиях сверхнизких температур, например при освоении космоса, что обеспечивает надёжное решение для этих экстремальных условий.