作者团队包括Yanshu Guo、Yaoyu Li、Wenqiang Huang、Qichun Liu、Tiefu Li、Zhihua Wang、Hanjun Jiang和Yuanjin Zheng，分别隶属于新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院、清华大学集成电路学院和北京量子信息科学研究院。他们的研究成果以标题《A 3.5K 4-6 GHz RF-DAC for Cryogenic Quantum Applications in 28-nm Bulk CMOS》发表于《IEEE Transactions on Circuits and Systems–II》期刊，并即将在2024年正式出版。这篇文章提出了一种面向量子计算应用的4-6 GHz射频数字-模拟转换器（RF-DAC），并通过实验证明其在工作温度3.5K及更低温度条件下的性能表现。

学术背景

近年来，低温CMOS（Cryo-CMOS）芯片因其在量子计算系统中的潜力备受关注。在稀释制冷机中工作于超低温（约3-4K）的Cryo-CMOS芯片能够替代传统的室温电子元件和连接电缆，从而有效缩减系统的尺寸。然而，在实现具备百万量子比特和量子纠错能力的实用量子计算系统之前，还有诸多挑战亟待解决。主要问题包括：低功耗需求（受限于制冷机的冷却能力）以及高信噪比（SNR）和线性度要求来保证量子比特的高保真度（99.9%或更高）。为了克服这些挑战，近年来已经开发了许多设计方案，例如用于量子态控制和读出的不同Cryo-CMOS芯片。然而，传统的电流舵DAC在低温环境下存在模型精度问题和性能退化的风险，因此需要一种新的解决方案以满足量子计算系统的特殊需求。

研究目的

本研究旨在开发一种能够在低温环境中工作并且对Cryo-CMOS工艺过程模型误差不敏感的RF-DAC，用于量子计算系统中的量子比特驱动脉冲生成。这种新型RF-DAC采用开关电容（switched-capacitance）架构设计，以更好地适配低温环境，并进一步集成了交叉连接电容阵列以提升开关比。这项研究期望为大规模量子计算系统的控制电子学提供关键技术支持。

研究流程

研究共分为以下几个主要阶段：

电路设计与实现

研究选择了一种开关电容RF-DAC架构作为设计基础。相比于传统的电流舵DAC，这种架构对低温环境的阈值电压漂移和器件失配影响较小。特别是，其中采用了交叉连接开关电容子阵列（cross-connection switched capacitor sub-array）以优化开关比性能。这一设计中的主要创新包括： 1. 采用整体单端到差分信号的变压器结构以实现宽频段内信号转换。 2. 使用伪差分架构（pseudo-differential architecture）以及8-bit分辨率子DAC阵列以保证高信噪比（SNR）。每个8-bit子DAC采用全温度代码拓扑（thermometer-coded topology）并由32个分组组成。 3. 在电路布局上，研究团队充分优化了LO（本振）信号线、输出信号线及控制信号线的路径对称性，进一步降低了寄生电容对开关比的影响。

被动变压器的低温特性研究

为深入研究低温环境下被动变压器的特性，研究团队还设计了测试芯片，并在低温探针台中分别在300K和3.5K下进行测量。实验显示：在3.5K条件下，变压器的一次线圈自谐振频率提升了5.4%，而主频点品质因数（Q值）上升2.9倍至17.9。同时，结合测量结果与高频电磁仿真软件（如HFSS）的计算结果对比，研究构建了精确的等效电路模型，大幅提高变压器在低温环境下的设计精度。

芯片实验验证

所提出的RF-DAC样机采用28nm工艺制造，芯片面积为0.63 × 0.93 mm。整个实验在低温探针台中展开，用于验证0.6V供电下的电路性能。实验记录了驱动脉冲的时间域波形、频谱及输出功率。主要测试手段包括使用两个信号发生器生成LO信号及采样时钟信号，外接FPGA通过串行接口（SPI）控制DAC的振幅调制数据。

研究结果

1. 信号特性与性能
   在3.5K低温环境下，RF-DAC可稳定生成采样频率达2GS/s的驱动脉冲信号，其输出驱动功率在4-6GHz频段超过-13dBm。实验表明在量子比特频段的信号杂散无明显增大，并达到50MHz频带下的信噪失真比（SNDR）为42.8dB。

2. 开关比与泄露抑制
   在交叉连接技术的加持下，开关比相对于传统电流舵DAC提升了约10dB，平均水平从25-29dB提升至36-40.5dB。芯片设计中进一步降低了寄生电容导致的泄漏对量子保真度的影响。

3. 低功耗表现
   该系统在3.5K条件下的总功耗为3.2mW，比室温环境下降低了约26.7%，其中主要消耗集中于LO缓冲器及数字控制电路部分。相比普通电流舵设计，RF-DAC无须额外搭建上变频RF前端，从而节省了功耗与芯片面积。

4. 线性度及频谱
   在供应电压为0.6V和0.7V时，幅度失真不超过±0.7dB，相位失真分别为±1.2°和±0.6°。信号线性度的提升为后续进一步优化预失真机制提供了可能性。

研究意义与亮点

1. 科学价值：
   这项研究提供了一种针对低温环境优化的关键电子元件，为未来大规模量子计算系统的电子设计提供了具有借鉴意义的案例，尤其在提高量子比特控制精度和节能方面表现尤为突出。

2. 应用价值：
   使用此RF-DAC架构可大幅提升低温量子计算系统的集成度，减小因热耗散限制导致的系统设计瓶颈，为未来开发基于Cryo-CMOS技术的紧凑型量子计算系统奠定了基础。

3. 技术创新：
   采用了开关电容架构取代传统电流舵设计，同时结合了变压器谐振频点调谐与交叉连接电容子阵列的独特架构，大幅优化了开关比性能，使该设计对低温器件模型误差更具鲁棒性。

小结

本文提出的3.5K RF-DAC解决方案向量子电子元件在低温环境下的性能最优化方向又迈出了一步。其创新的架构设计与优化手段显示出在超导量子计算、量子点控制及其他未来低温电子学领域的重要潜力。这项研究为面向大规模量子系统所需的控制电子设备设计提供了新思路，也为开发更节能、更高性能的量子计算系统提供了理论和技术支持。