[論文レビュー] A Review on Quantum Computing: Qubits, Cryogenic Electronics and Cryogenic MOSFET Physics

Farzan Jazaeri, Arnout Beckers+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2019

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 86被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、シリコンベースの量子コンピューティングについて、キュービット実装、冷凍CMOSエレクトロニクス、および深冷温度下でのMOSFET物理学を焦点にレビューしている。大規模な量子コンピュータにおけるスケーラビリティとノイズの課題に対処するため、シリコンキュービットを冷凍CMOSフロントエンドエレクトロニクスと共同集積化することを提案し、10 K未満で動作するCMOSデバイスが量子制御システムに適用可能であることを示した。

ABSTRACT

Quantum computing (QC) has already entered the industrial landscape and several multinational corporations have initiated their own research efforts. So far, many of these efforts have been focusing on superconducting qubits, whose industrial progress is currently way ahead of all other qubit implementations. This paper briefly reviews the progress made on the silicon-based QC platform, which is highly promising to meet the scale-up challenges by leveraging the semiconductor industry. We look at different types of qubits, the advantages of silicon, and techniques for qubit manipulation in the solid state. Finally, we discuss the possibility of co-integrating silicon qubits with FET-based, cooled front-end electronics, and review the device physics of MOSFETs at deep cryogenic temperatures.

研究の動機と目的

• 超伝導およびシリコンベースの量子コンピューティングプラットフォームにおけるスケーラビリティの課題を分析すること。
• シリコンベースのキュービットが、大規模統合に向けた既存のCMOSプロセスインfraストラクチャを活用する可能性を評価すること。
• ディルューション冷蔵機内でのキュービットとCMOSベースのフロントエンドエレクトロニクスを直接統合する可能性を調査すること。
• 冷凍温度下でのMOSFETの物理をレビューし、冷凍CMOS回路の正確なモデリングと設計を可能にするためのもの。
• 冷凍エレクトロニクスが、量子システムにおける配線の複雑さ、熱雑音、および遅延を低減する役割を評価すること。

提案手法

• 超伝導およびシリコンスピンキュービットに注目し、それらの物理的実装を含め、さまざまなキュービットタイプを調査すること。
• 量子システムにおける熱雑音とクロストークを低減するための冷凍制御エレクトロニクスの必要性を分析すること。
• 4 Kで動作するCMOS回路の実験結果をレビューし、パルス変調器やリングオシレータを含むもの。
• 10 K未満の温度におけるMOSFETのデバイス物理学を検討し、キャリア移動度、しきい値電圧のシフト、ゲートリークといった点に焦点を当てる。
• 深冷環境下での測定結果に基づき、冷凍CMOS回路の設計ガイドラインを提示すること。
• キュービットとCMOSエレクトロニクスを1チップ上に統合する量子統合回路（QIC）のシステムレベル統合戦略を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のCMOSプロセスを用いて、シリコンベースのキュービットをスケーリングし、大規模な量子コンピューティングを実現できるか？
• RQ2 深冷温度（10 K未満）でCMOSエレクトロニクスを動作させるにあたり、主な課題は何か？
• RQ3 冷凍温度下でMOSFETの挙動はどのように変化するのか？また、正確な回路設計に必要なモデルは何か？
• RQ4 キュービットとフロントエンド冷凍CMOSエレクトロニクスを共同集積化することは、配線の複雑さと熱負荷を低減するために実現可能か？
• RQ5 冷凍CMOS回路は、量子コンピューティングシステムの性能とスケーラビリティをどのように向上させられるか？

主な発見

• シリコン量子ドットにおけるスピンキュービットを含むシリコンベースのキュービットは、CMOSプロセスとの互換性のおかげで、スケーラブルな量子コンピューティングにとって極めて有望である。
• 4 Kで動作するCMOS回路が実際に実証されており、28 nmボトム-CMOSパルス変調器は2 mW未満の消費電力で動作し、冷凍制御に向けた実現可能性を裏付けた。
• 冷凍温度下のMOSFETはキャリア移動度が向上し、しきい値電圧が変化するため、正確なシミュレーションのための改訂版コンactモデルが必要となる。
• キュービットと冷凍CMOSの統合により、大規模な量子プロセッサにおける接続数、熱雑音、および信号遅延を顕著に低減できる。
• 熱雑音と配線静電容量は、スケーリングの主要なボトルネックであり、コherencyを維持し性能を確保するためには、チップ内エレクトロニクスの導入が不可欠である。
• キュービットとCMOSエレクトロニクスを1チップ上に共同集積化することで、量子統合回路（QIC）を形成するという道筋は現実的であるが、デバイスモデリングとシステムアーキテクチャの面で課題が残っている。