本文介绍了一项发表于《ieee transactions on microwave theory and techniques》2026年9月号的研究成果。该研究由电子科技大学（uestc）的耿宇杰、徐子桢、董天宇、陈怡洁、王伟辰、杨悦、孙志晓、吴瑞鸿，以及国防科技大学（nudt）的邓明堂和成都数据自动化系统技术有限公司的林海川等研究人员共同完成，通讯作者为电子科技大学的王成教授。论文标题为《28-nm cryo-cmos mixer-first reflectometer for the fdm readout of transmon qubits》。该研究聚焦于量子计算中量子位读出这一关键环节，提出并实现了一种基于28纳米体硅CMOS工艺的混频器优先（mixer-first）低温反射计，用于超导transmon量子位的频分复用（frequency division multiplexing, fdm）读出。

研究的学术背景源于量子纠错（quantum error correction, qec）对高保真度、可扩展量子位读出的迫切需求。在超导量子计算中，射频色散反射测量（rf dispersive reflectometry）结合频分复用是实现快速、高保真度读出的主流方案。然而，传统低噪声放大器优先（lna-first）反射计在低温下面临噪声温度（noise temperature, tnoise）与线性度的折衷。低温低噪声放大器（cryo-lna）需要较高的跨导效率（g2m/id）以降低噪声，但其开环结构在大输出电压摆幅下线线性度受限，从而在频分复用读出中引入误差。本研究旨在探索一种新架构——混频器优先低温CMOS反射计，以同时实现低噪声和高线性度，并进一步实现片上集成模数转换器（adc）与数字解调，从而提高读出系统的可扩展性。

研究的工作流程主要包括四个部分：系统指标推导、芯片架构设计、电路模块实现与数字基带设计、以及4 k低温测试与量子位读出实验。首先，作者根据超导transmon量子位的色散读出原理，建立了从读出保真度到接收机噪声温度、模数转换器有效位数（enob）和线性度指标的映射关系。对于99.99%的读出保真度，在考虑jpa增益、电缆损耗和adc量化噪声后，接收机噪声温度需低于26.6 k，无杂散动态范围（sfdr）需大于45 db，三阶互调抑制（imd3）需大于50 db。这些指标为电路设计提供了明确目标。

在架构设计上，系统由一个单边带（ssb）发射机、一个混频器优先接收机以及数字基带组成。发射机采用一对500 msps、12位电流舵数模转换器（dac）和直接数字频率合成（dds）生成频分复用激励信号，经多相滤波器滤波和单边带上混频后输出至5.5–8 ghz射频波段。接收机则采用无源、低损耗混频器直接将射频反射信号下变频至5–250 mhz中频/基带，再由中频放大器放大。该中频放大器采用w/l = 2 × 800 µm/100 nm的mosfet对，电流密度为5 µa/µm，与低温低噪声放大器相比，跨导效率提高了2.8倍，从而在低噪声方面具有显著优势。放大器后级为可变增益放大器和源极跟随器，驱动500 msps、12位时间交织逐次逼近型模数转换器（ti sar adc）进行采样。数字基带包含两个22位分辨率的数控振荡器（nco）、正弦查找表（lut）、sram存储器以及量子态判别算法，可在片上完成频分复用信号的解调和量子态判断。

在电路实现细节上，接收机前端采用1:2射频变压器，在300 k下提供4–6 db的无源电压增益，且在4 k下由于金属电导率和衬底电阻的提高，增益进一步提高约1.5 db。无源混频器采用w/l = 200 µm/30 nm的nmos开关，仿真得到300 k下无源增益为1.6 db、噪声温度为150 k，而4 k下估算为6 k。中频放大器的第一级差分跨导单元具有21 db的电压增益和300 mhz的3 db带宽，仿真输入参考噪声电压在300 k下为0.4 nv/√hz，在4 k下估算为0.27 nv/√hz。整个接收机在4 k下仿真噪声温度为13 k，实测最小噪声温度为19 k。

在实验结果方面，4 k低温测试表明，该混频器优先接收机在flo = 7.3 ghz时实现了42 db的接收机增益和19 k的最小噪声温度，在6.4–7.7 ghz范围内噪声温度低于25 k，在50–150 mhz中频带宽内噪声温度低于20 k。500 msps ti sar adc在4 k下测得的sfdr为47.4 db，sndr为38.3 db，在vpp = 1 v的两音测试中imd3优于50 db。整个接收机（混频器优先接收机 + adc）在射频输入功率prf,in = −47 dbm、adc输出电压vpp = 0.8 v的条件下，同时测得sfdr为49 db、imd3为53 db，且在250 mhz奈奎斯特带宽内sfdr > 45 db、imd3 > 50 db。发射机在6–8 ghz范围内测得sfdr > 55 db、imd3 > 45 db，镜像抑制比大于53 db。这些结果表明系统的噪声和线性度指标均满足或优于预设的读出要求。

在双量子位读出实验中，两个transmon量子位被连接至20 mk温区的传输型读出谐振器。由于实验条件限制，接收机前端使用了hemt低噪声放大器而非jpa。在5 µs积分时间下，使用该芯片测得的qubit1 |0〉态读出保真度为95.3%，|1〉态为92.3%；qubit2 |0〉态为96.1%，|1〉态为93.1%。使用300 k读出仪器在2 µs积分时间下测得的保真度分别为94.8%、95.2%和94.8%、95.7%。芯片的读出信噪比（snr）为qubit1 12 db、qubit2 10.8 db，接近仪器读出结果。实验表明，约4%的|0〉态错误主要来自热激发导致的初始化不完善，约7%的|1〉态错误可归因于|1〉态退相干和π脉冲的不保真度。若改善热激发抑制和π脉冲质量，并引入jpa，有望实现更短读出时间和99.9%的保真度。

该研究的主要价值在于验证了混频器优先架构在低温CMOS反射计中的可行性。与传统lna-first接收机相比，该架构通过将信号放大移至较低频率，显著提高了跨导效率，从而在4 k下实现了19 k的噪声温度，仅为现有lna-first反射计的15%–54%。同时，通过闭环放大和系统级协同优化，实现了接收机+adc端到端sfdr > 45 db和imd3 > 50 db，为已报道的完整反射计中的最高线性度水平。此外，片上集成的数字基带支持频分复用信号的直接解调和量子态判别，减少了对外部高速数据采集和处理的依赖。该工作为大规模量子位阵列的高保真度、频分复用读出提供了一种具有潜力的集成解决方案。