[논문 리뷰] A Cryogenic Interface for Controlling Many Qubits

Sebastian Pauka, Kushal Das외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 03.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 37

한 줄 요약

본 논문은 100 mK 부근에서 작동하는 CMOS 기반 초저온 제어 플랫폼을 시연하여 하나의 DAC 입력을 다수의 큐비트 게이트 전극으로 다중화하고, charge-locking을 통해 대규모 양자 제어를 초저전력 소모로 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 컴퓨팅의 규모 확장에서 IO 병목의 원인과 저열(열 손실이 적은) 확장 가능한 제어 인터페이스의 필요성을 제시한다.
• 대규모 큐비트 배열을 자율적으로 조작하고 읽어내는 칩 기반의 초저온 CMOS 플랫폼을 제시한다.
• 밀리켈빈 온도에서의 낮은 누설 특성이 전하 저장과 게이트 전압의 신속한 재배치를 가능하게 함을 보인다.
• GaAs 양자점 테스트 소자의 제어를 시연하고 전력 소모 및 누설을 벤치마크한다.
• 사용 가능한 희석 냉각기 냉각 전력 내에서 대규모 큐비트 수를 위한 확장성과 시스템 발자국을 전망한다.

제안 방법

• 28 nm FDSOI CMOS를 활용하여 대략 100 mK 근처의 초저전력 소모를 갖는 크라이오 제어 칩을 구축한다.
• SPI 명령을 수신하고 Charge-Lock Fast-Gate(CLFG) 셀이라 불리는 아날로그 블록을 구성하기 위해 디지털 FSM과 약 100k 트랜지스터를 구현한다.
• 저온에서의 낮은 트랜지스터 누설로 활성화된 플로팅 게이트 커패시터에 바이어스 전압을 저장하여 정전압을 유지한다.
• 칩 내부 커패시터 간의 전하를 재분배하여 V_OUT 펄스를 생성함으로써 큐비트 게이트를 동적으로 펄싱한다.
• GaAs 양자점 소자를 32개의 CLFG 출력에 연결하고 실측 누설, 전력 및 성능을 상온 바이어스와 비교하여 벤치마크한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 큐비트 게이트 바이어스를 단일 DAC 입력에서 다중화하더라도 지나친 열 부하를 초래하지 않는가?
• RQ2 크라이오- CMOS CLFG 기반 제어 방식이 반도체 양자점을 구동할 때 πρα시적 누설, 소모 및 타이밍 성능은 어떤가?
• RQ3 상용 희석 냉각기의 냉각 전력 내에서 제어 아키텍처를 수천 개의 큐비트로 확장하는 것이 feasible한가?
• RQ4 CLFG 접근 방식이 크라이오 환경에서의 동적 게이트 펄싱 및 큐비트 튠업에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 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.