[論文レビュー] A Cryogenic Interface for Controlling Many Qubits

Sebastian Pauka, Kushal Das+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Quantum and electron transport phenomena被引用数 37

ひとこと要約

論文は、約100 mK付近で動作するCMOSベースの低温制御プラットフォームを実証し、単一のDAC入力を多電極のゲートへ多路選択して充電ロックを介して駆動し、超低消費電力で拡張可能な量子制御を実現する。

ABSTRACT

A scaled-up quantum computer will require a highly efficient control interface that autonomously manipulates and reads out large numbers of qubits, which for solid-state implementations are usually held at millikelvin (mK) temperatures. Advanced CMOS technology, tightly integrated with the quantum system, would be ideal for implementing such a control interface but is generally discounted on the basis of its power dissipation that leads to heating of the fragile qubits. Here, we demonstrate an ultra low power, CMOS-based quantum control platform that takes digital commands as input and generates many parallel qubit control signals. Realized using 100,000 transistors operating near 100 mK, our platform alleviates the need for separate control lines to every qubit by exploiting the low leakage of transistors at cryogenic temperatures to store charge on floating gate structures that are used to tune-up quantum devices. This charge can then be rapidly shuffled between on-chip capacitors to generate the fast voltage pulses required for dynamic qubit control. We benchmark this architecture on a quantum dot test device, showing that the control of thousands of gate electrodes is feasible within the cooling power of commercially available dilution refrigerators.

研究の動機と目的

• 量子コンピュータのスケーリングに伴うIOボトルネックと、低熱・スケーラブルな制御インターフェースの必要性を動機づける。
• 大規模な量子ビットアレイを自動的に操作・読み出す、チップベースのCryogenic CMOSプラットフォームを提示する。
• millikelvin temperaturesでの低リークトランジスタ挙動は充電ストレージとゲート電圧の迅速な再割り当てを可能にすることを示す。
• GaAs量子ドット試験デバイスの制御をデモンストレーションし、電力消費とリークをベンチマークする。
• 入手可能な希釈冷凍機の冷却電力内で大規模な量子ビット数のスケーラビリティとフットプリントを予測する。

提案手法

• 28 nm FDSOI CMOS を用いて ultra-low power dissipation を伴うほぼ100 mKのクライオジェニック制御チップを構築する。
• デジタル FSMと約100kのトランジスタを実装して SPI コマンドを受け取り、charge-lock fast-gate (CLFG) セルと呼ばれるアナログブロックを構成する。
• 低温でのトランジスタリークが低いため浮遊ゲートコンデンサにバイアス電圧を保存して静的電圧を保持する。
• オンチップのキャパシタ間で電荷を再分配して V_OUT パルスを生成することで、ダイナミックに量子ビットゲートをパルスする。
• GaAs量子ドットデバイスを32個のCLFG出力に配線し、リーク、電力、および性能をベンチマークし、室温バイアスと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Can a chip-scale, cryogenic CMOS controller multiplex a large number of qubit gate biases from a single DAC input without introducing prohibitive heat load?
• RQ2 What is the practical leakage, dissipation, and timing performance of a cryogenic CMOS CLFG-based control scheme when driving semiconductor quantum dots?
• RQ3 Is it feasible to scale the control architecture to thousands of qubits within the cooling power of commercial dilution refrigerators?
• RQ4 How does the CLFG approach impact dynamic gate pulsing and qubit tune-up in a cryogenic environment?

主な発見

• The cryo-CMOS controller contains ~100k transistors and 32 CLFG cells capable of biasing 32 qubit-control electrodes from one external voltage source.
• Leakage of stored charge on CLFG cells is extremely low, enabling a round-robin refresh of many gates every few minutes.
• Dynamic pulsing can generate gate voltage changes with true rise times on the order of nanoseconds, limited by parasitic capacitances and the qubit circuit.
• Measured power dissipation per gate scales quadratically with voltage amplitude and frequency, giving about 18 nW per MHz per cell with 0.1 V pulsing.
• Temperature measurements show system temperature remains below 100 mK under several MHz operation, indicating compatibility with dilution refrigerator cooling power.
• Projected total system power suggests CMOS-based control is viable for thousands of qubits within existing cooling capabilities, outperforming conventional room-temperature coaxial-control in power footprint.