[论文解读] 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 13

一句话总结

本文综述了基于硅的量子计算，重点探讨了量子比特实现、低温CMOS电子学以及深低温下MOSFET的物理特性。论文提出将硅量子比特与低温CMOS前端电子学协同集成，以应对大规模量子计算机在可扩展性和噪声方面的挑战，展示了CMOS器件在10 K以下工作的可行性，适用于量子控制系统。

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.

研究动机与目标

• 分析超导与基于硅的量子计算平台在可扩展性方面面临的挑战。
• 评估基于硅的量子比特利用现有CMOS制造工艺基础设施实现大规模集成的潜力。
• 研究在稀释制冷机中直接将基于CMOS的前端电子学与量子比特集成的可行性。
• 回顾MOSFET在低温下的物理特性，以实现低温CMOS电路的精确建模与设计。
• 评估低温电子学在降低量子系统中布线复杂度、热噪声和延迟方面的作用。

提出的方法

• 调研多种量子比特类型，重点关注超导与硅自旋量子比特及其物理实现方式。
• 分析低温控制电子学的必要性，以减少量子系统中的热噪声与串扰。
• 综述在4 K下工作的CMOS电路实验结果，包括脉冲调制器与环形振荡器。
• 研究10 K以下温度下MOSFET的器件物理特性，重点关注载流子迁移率、阈值电压漂移与栅极漏电流。
• 基于深低温环境下的实测性能，提出低温CMOS电路的设计准则。
• 评估将量子比特与CMOS电子学集成于单片上的量子集成电路（QIC）的系统级集成策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于硅的量子比特是否可利用现有CMOS制造工艺实现规模化，以达成大规模量子计算？
• RQ2 在深低温环境（<10 K）下运行CMOS电子学用于量子控制时面临哪些关键挑战？
• RQ3 MOSFET在低温下的行为如何变化？需要何种模型以实现精确的电路设计？
• RQ4 将量子比特与前端低温CMOS电子学协同集成以降低布线复杂度与热负荷的可行性如何？
• RQ5 低温CMOS电路如何提升量子计算系统的性能与可扩展性？

主要发现

• 基于硅的量子比特，特别是硅量子点中的自旋量子比特，由于与CMOS工艺兼容，极具潜力实现可扩展的量子计算。
• CMOS电路已在4 K下成功实现，包括功耗低于2 mW的28 nm体硅CMOS脉冲调制器，证明了其在低温控制中的可行性。
• 低温下MOSFET表现出增强的载流子迁移率与变化的阈值电压，需采用改进的紧凑模型以实现精确仿真。
• 将低温CMOS与量子比特集成可显著减少互连数量、热噪声与信号延迟，从而提升大规模量子处理器的性能。
• 热噪声与布线电容仍是可扩展性的主要瓶颈，亟需采用片上电子学以维持相干性与性能。
• 在单片上实现量子比特与CMOS电子学的协同集成——即形成量子集成电路（QIC）——是一条切实可行的前进路径，尽管在器件建模与系统架构方面仍存在挑战。