[論文レビュー] CryoCMOS RF multiplexer for superconducting qubit control, readout and flux biasing at millikelvin temperatures with picowatt power consumption

Liam Fallik, Sriram Balamurali+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2026

Quantum and electron transport phenomena被引用数 0

ひとこと要約

10 mKで動作する低温CMOS RFマルチプレクサを実証し、200 pWという記録的な低静的電力で超伝導量子ビットのマルチプレックス制御・リードアウトを実現し、コヒーレンスへの影響を最小化。

ABSTRACT

Large-scale cryogenic quantum systems are constrained by an input-output bottleneck between room-temperature electronics and millikelvin stages, particularly in superconducting qubit platforms. This bottleneck is most acute for output lines, where bulky and expensive microwave components limit scalability. A promising approach for scalable characterization and testing is to perform signal multiplexing directly at the qubit plane. We demonstrate a cryogenic CMOS (cryoCMOS) RF multiplexer operating at 10 millikelvin with record-low static power consumption of 200 pW. The device provides < 2 dB insertion loss and > 30 dB isolation across DC-8 GHz. Direct connection to transmon qubits marginally affects coherence times in the range of 100 microseconds, enabling multiplexing of readout, flux and, in principle, XY drive lines. This work introduces cryoCMOS multiplexers as valuable tools for scalable, high-throughput cryogenic characterization and testing, and advances co-integrated quantum-classical control for future large-scale quantum processors.

研究の動機と目的

• 大規模な低温量子システムにおける入力出力ボトルネックを、量子ビット面で直接信号マルチプレクシングを可能にすることで解決する。
• ミリKelvin温度でのリードアウト、磁束バイアス付け、および潜在的にはXYドライブラインに適したCryoCMOS RFマルチプレクサを実証する。
• 静的電力消費を非常に低く抑えつつ、超伝導量子ビット向けのRF性能を充分に維持する。
• マルチプレクサを、マルチ量子古典制御インターフェースのスケーラブルな低温特性評価・試験のツールとしての影響を評価する。

提案手法

• 10 mKで動作するよう設計されたcryoCMOS RFマルチプレクサを実装する。
• DC–8 GHzにわたる静的電力消費、挿入損失、アイソレーションを特性評価する。
• トランソン量子ビットと組み合わせてコヒーレンス特性を測定し、コヒーレンス影響を評価する。
• マルチプレクサを、量子-classical制御インターフェースのスケーラブルな低温特性評価と試験のツールとして位置づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリKelvin温度でピコワット級の電力消費で動作するcryoCMOS RFマルチプレクサは実現できるか？
• RQ2 DC–8 GHzにおけるcryoCMOSマルチプレクサのRF性能指標（挿入損失、アイソレーション）はどうであるか？
• RQ3 マルチプレクサをトランソン量子ビットに直接接続した場合、量子ビットのコヒーレンス時間にどのような影響があるか？
• RQ4 ミリKelvin温度でリードアウト、磁束バイアシング、潜在的にはXYドライブラインのマルチプレクシングを安定して実現できるか？

主な発見

• 10 mKでの記録的な静的電力消費200 pW。
• DC–8 GHz全域で挿入損失<2 dB、アイソレーション>30 dBを超える。
• トランソン量子ビットへの直接接続でコヒーレンス時間が約100マイクロ秒程度に影響する。
• リードアウト、磁束バイアシング、原理的にはXYドライブラインのマルチプレクシングを実現。
• cryoCMOSマルチプレクサを、スケーラブルで高スループットな低温特性評価・試験のツールとして位置づける。