[论文解读] 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 37

一句话总结

论文展示了一个基于CMOS的低温控制平台，在约100 mK工作，通过电荷锁存将单个DAC输入复用到数千个量子比特门电极，从而实现超低功耗的可扩展量子控制。

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.

研究动机与目标

• 在扩展量子计算机时强调 IO 瓶颈以及对低热、可扩展控制接口的需求。
• 提出一个基于芯片的低温 CMOS 平台，能够自主操控并读取大规模量子比特阵列。
• 显示在毫开尔文温度下低泄漏晶体管行为能够实现电荷存储和门电压的快速重新分配。
• 演示对 GaAs 量子点测试器件的控制并对功耗和泄漏进行基准测试。
• 预测在现有稀释冷却器冷却能力内实现大量量子比特的可扩展性与占用空间。

提出的方法

• 使用 28 nm FDSOI CMOS 构建接近 100 mK 的低温控制芯片，耗散极低。
• 实现一个数字 FSM 和 ~100k 个晶体管，以接收 SPI 指令并配置称为 charge-lock fast-gate (CLFG) 电路的模拟块。
• 在低温下晶体管泄漏极低的条件下，在浮动栅极电容上存储偏置电压以维持静态电压。
• 通过重新分配片上电容中的电荷来动态脉冲量子比特门，生成 V_OUT 脉冲。
• 通过将 GaAs 量子点器件接到 32 个 CLFG 输出，并与室温偏置进行比较，基准泄漏、功耗和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 芯片级低温 CMOS 控制器是否可以从单一外部电压输入复用大量量子比特门偏置而不引入过高的热负载？
• RQ2 在驱动半导体量子点时，基于 cryogenic CMOS CLFG 的控制方案的实际泄漏、耗散和时序性能如何？
• RQ3 是否可将控制架构扩展到数千个量子比特，且在商业稀释冷却器的冷却能力内？
• RQ4 CLFG 方法对在低温环境中动态门脉冲和量子比特调谐有何影响？

主要发现

• 冷却 CMOS 控制器包含 ~100k 个晶体管和 32 个 CLFG 电路，能够从一个外部电压源偏置 32 个量子比特控制电极。
• 存储在 CLFG 电路上的电荷泄漏极低，实现对许多门的轮询刷新，每隔几分钟进行一次。
• 动态脉冲可以在纳秒级的真实上升时间内产生门电压变化，受寄生电容和量子比特电路限制。
• 每个门的功耗随电压幅值和频率的平方关系增长，在 0.1 V 脉冲下，约为 18 nW/MHz/单元。
• 温度测量显示系统在数 MHz 操作下温度仍低于 100 mK，表明与稀释冷却器的冷却能力相容。
• 对系统总功耗的预测表明，基于 CMOS 的控制在现有冷却能力内可用于成千上万的量子比特，并且在功耗方面优于传统的室温同轴控制。