[论文解读] Integrated multiplexed microwave readout of silicon quantum dots in a cryogenic CMOS chip

Andrea Ruffino, Tsung-Yeh Yang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 45被引用 7

一句话总结

本论文展示了一款采用工业40-nm CMOS工艺制造的全集成低温CMOS芯片，可在50 mK温度下实现对硅量子点阵列的复用微波读出。通过结合片上LC谐振器实现的时域与频域复用，以及行列地址技术，该芯片实现了3×3量子点阵列的可扩展、低面积占用读出，标志着向集成经典控制与读出电子的大型硅基量子处理器迈出了关键一步。

ABSTRACT

Solid-state quantum computers require classical electronics to control and readout individual qubits and to enable fast classical data processing [1-3]. Integrating both subsystems at deep cryogenic temperatures [4], where solid-state quantum processors operate best, may solve some major scaling challenges, such as system size and input/output (I/O) data management [5]. Spin qubits in silicon quantum dots (QDs) could be monolithically integrated with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) electronics using very-large-scale integration (VLSI) and thus leveraging over wide manufacturing experience in the semiconductor industry [6]. However, experimental demonstrations of integration using industrial CMOS at mK temperatures are still in their infancy. Here we present a cryogenic integrated circuit (IC) fabricated using industrial CMOS technology that hosts three key ingredients of a silicon-based quantum processor: QD arrays (arranged here in a non-interacting 3x3 configuration), digital electronics to minimize control lines using row-column addressing and analog LC resonators for multiplexed readout, all operating at 50 mK. With the microwave resonators (6-8 GHz range), we show dispersive readout of the charge state of the QDs and perform combined time- and frequency-domain multiplexing, enabling scalable readout while reducing the overall chip footprint. This modular architecture probes the limits towards the realization of a large-scale silicon quantum computer integrating quantum and classical electronics using industrial CMOS technology.

研究动机与目标

• 展示一款可在毫开尔文温度下工作的全集成低温CMOS电路，具备片上量子点阵列、数字控制逻辑及模拟微波谐振器。
• 通过在单个芯片上利用工业CMOS技术实现时域与频域复用技术，达成可扩展的量子比特读出。
• 验证在大型硅基量子处理器中，将经典控制与读出电子与硅量子点系统共集成的可行性。
• 探究利用商用CMOS工艺实现量子计算应用在mK温度下的集成极限。

提出的方法

• 芯片采用工业40-nm CMOS工艺制造，包含一个由栅电极定义的3×3硅量子点阵列。
• 通过字线（WL）和数据线（DL）实现行列地址，以最小化控制线数量，并实现对单个量子点的选择性访问。
• 片上LC谐振器（6–8 GHz频段）用于非简并微波读出，通过频率复用实现多个量子比特的并行读出。
• 时域复用通过依次激活字线以访问不同列来实现，而频域复用则通过不同谐振器频率实现多行量子比特的同时读出。
• 系统在低温环境下使用偏置耦合器、储能电容和低噪声放大器，以保持信号完整性。
• 通过测量稳定性图和库仑钻石图，确认了阵列中电荷态读出与量子比特操作的实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 一款集成了片上量子点、数字控制逻辑与微波谐振器的全集成低温CMOS芯片，能否在50 mK下可靠运行？
• RQ2 时域与频域复用的微波读出能否在单个CMOS芯片上成功实现于硅量子点？
• RQ3 经典控制与量子点系统共集成在多大程度上可减少芯片面积并提升硅基量子处理器的可扩展性？
• RQ4 工业CMOS技术在低温量子计算应用中的性能极限是什么？

主要发现

• 芯片成功在50 mK下实现了基于三个片上LC谐振器的硅量子点非简并微波读出，其中心频率在300 K时分别为6.810 GHz、7.374 GHz和7.941 GHz，且在50 mK下表现出稳定运行。
• 通过依次激活字线实现了时域复用，成功实现了对3×3量子点阵列中不同列的选择性读出。
• 频域复用使两个独立量子点（Q12与Q22）可通过不同谐振器频率（6.873 GHz与7.419 GHz）实现同时读出，证实了并行探测能力。
• 时域与频域复用的结合使系统在单次积分周期内获取了四个量子点的2×2库仑图，展示了可扩展读出架构的可行性。
• 系统实现了稳定运行，可观测到清晰的库仑钻石图与过渡特征，证实了在毫开尔文温度下可靠的电荷态检测。
• 结果验证了利用工业CMOS技术实现经典控制与量子点系统共集成的可行性，为可扩展、低面积占用的平台提供了支持。