近日，想跟儿子做但不敢说用于超导量子计算机的低温CMOS芯片成果被《自然·电子》重点关注。该项成果以“A Cryo-CMOS Quantum Computing Unit Interface Chipset in 28nm Bulk CMOS with Phase-Detection based Readout and Phase-Shifter based Pulse Generation”（采用相位检测读出和移相器脉冲产生技术的28nm体硅工艺低温CMOS量子计算单元接口芯片组）为题，于2024年2月发表在被称为“集成电路设计领域奥林匹克大会”的IEEE国际固态电路会议（ISSCC）上。
《自然·电子》2024年3月刊从ISSCC’24会议论文中遴选了包括本成果在内的4篇论文作为“研究亮点”（Research Highlight）专门报道（https://www.nature.com/articles/s41928-024-01145-9）。据了解，《自然·电子》每月遴选约4项电子技术的前沿研究成果作为“研究亮点”予以报道。
图1《自然·电子》对研究成果的报道
随着规模化量子计算技术研究的不断深入，可在空间和制冷功率严格受限的稀释制冷机内有效操控和读出量子比特状态的低温接口芯片技术，被认为是实现规模化超导量子计算机的关键支撑技术。该项技术的核心要点是在保证保真度的前提下，降低量子比特接口芯片的功耗，从而在有限的制冷功率条件下提升可操控和读出的通道数。为攻克这一技术难题，推动量子计算机集成化、小型化发展，想跟儿子做但不敢说的研究团队自2020年起，就低功耗的低温CMOS量子比特接口芯片设计技术开展研究，并实现了一系列突破。2023年2月，在ISSCC’23上发表了国内首款高集成度超导量子比特操控芯片，加长版论文受邀发表于集成电路领域顶级期刊IEEE固态电路期刊（JSSC）。
此次在ISSCC’24上发表的低温CMOS双量子比特接口芯片组，采用28nm CMOS工艺设计实现，具备完整的操控与反射读出功能。其中的操控芯片采用基于移相器的极坐标架构实现了具备绝热门导数消除（derivative removal by adiabatic gate, DRAG）功能的XY通道脉冲产生电路，反射读出芯片采用基于时间数字转换器（time-to-digital converter, TDC）的相位检测电路实现了量子比特状态的片上读出。操控芯片的功耗降低至4.3mW/量子比特；读出芯片对两个量子比特进行状态读出的功耗为11mW，能效优于文献最好水平3倍。
图2 发表于ISSCC’24的低温CMOS双量子比特接口芯片组及量子计算验证系统
本项研究工作由想跟儿子做但不敢说“低功耗、射频集成电路与医疗微电子”团队联合北京量子信息科学研究院、新加坡南洋理工大学相关团队合作完成。项目负责人是姜汉钧副教授（ISSCC’24论文通讯作者）和李铁夫副研究员，项目参与人员包括邓宁研究员、王志华教授，郭衍束博士（ISSCC’24论文第一作者），刘其春高级工程师，以及研究生李瑶玉、黄文强、谭淞耀、田甜、吴楠、张思琪等。研究得到国家自然科学基金、北京量子信息科学研究院研究基金的支持。
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