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文献信息

文章《Cryo-CMOS for Quantum System on-Chip Integration》由 Robert Bogdan Staszewski、Imran Bashir、Elena Blokhina 和 Dirk Leipold 等作者共同撰写。文章于 2021 年春季发表在 *IEEE Solid-State Circuits Magazine*（DOI: 10.1109/MSSC.2021.3072807）上。文章聚焦于低温 CMOS（cryogenic CMOS, 简称 Cryo-CMOS）的发展及其在量子计算领域的潜在应用，重点探讨将控制电子电路与量子计算核心集成在单一芯片上的技术路线及其研究进展。

文献主题

本文综述了量子计算技术的发展如何推动 Cryo-CMOS 技术进步，并阐述了 Cryo-CMOS 在实现量子系统片上集成（Quantum System on Chip, Quantum SoC）中的关键作用。文章同时比较了两种量子比特（qubits）技术——电荷比特（charge qubits）和自旋比特（spin qubits），并讨论了实现低温量子芯片的技术挑战及未来发展方向。

文献主要观点

量子计算的背景与重要性

量子计算（Quantum Computing, QC）是一种利用量子力学原理（如叠加态和纠缠态）解决传统计算机无法处理的复杂问题的新型计算范式。传统 CMOS 技术并不适用于量子计算的极端低温环境，然而随着量子计算需求的增长，设计适用于深冷（cryo）温度的 CMOS 电路成为研究热点。本文指出，量子计算的发展推动了 Cryo-CMOS 技术的风潮，并创造了许多跨学科的研究机会，例如深冷温度条件下电路设计用于控制量子比特。

Cryo-CMOS 技术的演进与驱动因素

Cryo-CMOS 技术自传统低温实验室逐步走向工程化。过去，由于深冷温度中的硅基材料性能冻结且缺乏 SPICE 模型，相关研究动力不足。然而，近年来量子比特的快速发展——尤其是基于超导和 CMOS 的量子比特——促使工业和学术界对 Cryo-CMOS 系统内可用性展开深入研究。当前的研究主要集中于在稀释制冷机温区（millikelvin 温度，约 10-40 mK）运行的量子比特与位于较高温度区域（~4 K）的 CMOS 控制电路的集成，从而在简化系统架构的同时降低成本和工程难度。

电荷比特与自旋比特的比较

本文对比了电荷比特和自旋比特的特点，进一步说明这两种技术对量子系统集成的意义：

1. 电荷比特（Charge Qubits）

   • 电荷比特通过电压脉冲控制，类似于动态随机存储器（DRAM）技术。其控制精度可通过现代 CMOS 技术达到极高水平。
   • 电荷比特支持快速切换，其响应时间可以缩短到皮秒级别，这使得其更适合用于高频率操作。此外，随着 CMOS 技术进步，电荷比特的隧穿时间和纠缠操作等关键过程均能得到更精准的控制。
   • 主要缺陷包括退相干时间较短（量子态丧失的速度较快），但现代电子学的进步在一定程度上可以弥补这一问题。

2. 自旋比特（Spin Qubits）

   • 自旋比特通过微波信号生成和检测，其量子态由磁场影响并翻转，通常需要强磁场来稳定量子态。
   • 虽然自旋比特的退相干时间较长，但生成微波信号的过程耗时较多且功耗相对较高。此外，这种技术对系统热负荷的限制更为苛刻，工程应用的体积和集成密度也因其对强磁场依赖而受到一定制约。

本文指出电荷比特在操作速度和 CMOS 集成方面具有优势，而自旋比特退相干时间较长，适合用于某些特定应用。

量子系统片上集成（Quantum SoC）的前景

作者提出，将量子核心与控制电子组件集成在单一硅片上的量子系统片上集成（Quantum SoC）是未来发展的主要方向。具体而言，利用 CMOS 工艺的高密度可扩展性，可在单芯片上集成大量电荷比特或自旋比特，同时结合数字和模拟电路，进行大规模量子计算操作。

• 全集成的意义

  • 降低了量子比特与外部电子设备之间的互连复杂性，减少寄生效应和噪声干扰。
  • 极大提高了量子系统的紧凑性与功耗效率，方便大规模部署。
  • 为未来数百万级别量子比特的集成铺平了道路。

• 22 nm FDSOI 工艺的应用

  • 文章特别强调了 22 nm 全耗尽绝缘体上硅 (Fully Depleted Silicon-On-Insulator, FDSOI) 工艺的应用。这种工艺提供了一种超薄的半导体层，量子颗粒（Quantum Dots, QD）可以在此层内形成，以实现精确定位和控制，从而满足高性能量子操作的需求。

文章提出的新范式

作者提出了一种基于 “不完美量子比特的集成” 的新范式。不同于专注高质量单一量子比特设计的方法，这一策略旨在集成大量“功能较弱但协同作用强”的量子比特：

• 优势与创新性
  • 基于 CMOS 技术优势的大规模生产和高密度设计能够突破量子比特的可扩展性瓶颈。
  • 集成的大量低级别量子比特通过设计巧妙的纠错和逻辑系统可实现系统级高性能。
  • 在采用 “双 V 型” QD 排列的实验中，基于 CMOS 的混合比特（结合电荷与自旋特性）显示出良好的性能潜力。

总结与意义

本文强调了量子计算对多学科领域（如数学、化学和材料科学）的革命性影响，并将其视为推动 Cryo-CMOS 进步的驱动力。文章对两种量子比特技术进行了深入分析并提出一种可扩展量子片上系统的前景。在工程上，作者借助 CMOS 技术的成熟性，为大规模量子比特集成提供了理论和技术依据。这些研究成果不仅对学术界具有重要贡献，也为工业界量子计算的发展指明了方向。

文章亮点

1. 针对量子计算与工程集成的挑战，首次全面分析了电荷比特和自旋比特的优劣势。
2. 提出基于 CMOS 技术大规模量子集成的新范式，展现了其在工业化和可扩展性上的优势。
3. 实验验证了 FDSOI 工艺适用于低成本、低温、高性能的量子芯片开发。