在量子计算领域，实现高保真度的量子位（Qubit）操作和读取是至关重要的。量子计算的实用性在很大程度上依赖于能够准确控制和读取大规模（10^6至10^9）物理量子位阵列的状态。为了达到这一目标，需要高性能的量子到经典界面电子设备，这些设备不仅要能够减少量子位操作的错误，还要简化布线复杂性，从而促进量子反馈，为实际的量子错误校正（QEC）和逻辑量子门铺平道路。射频反射测量（RF reflectometry）是一种广泛采用的量子位状态读取技术，它通过检测与传感器量子位相关的高Q LC槽路的共振频率来区分量子位状态（坍缩为“0”或“1”）。

但传统的异相反射测量方案存在一些挑战，例如使用复杂的上/下混频器、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）和相位锁定环（PLL）进行量子位激励和下混频，这些设备存在传输接收隔离差、互调干扰以及高直流功耗等问题，这些问题影响了可扩展性和读取保真度。

针对量子计算中量子位操作和读取的挑战，电子科技大学以及哈马德·本·哈利法大学组成的研究团队利用了泽攸科技的低温探针台进行了深入研究。他们提出了一种新型的双量子位同相反射测量阵列，该阵列配备了高Q简并参数放大器（DPA），并通过动态模式耦合技术来提高量子传感的可扩展性、增益和读取保真度，这项研究发表在2023年IEEE亚洲固态电路会议上（DOI:10.1109/A-SSCC58667.2023.10347990）。

本研究的主要内容是开发了一种新型的低温CMOS集成电路，用于量子计算中的量子位状态读取。这项研究的核心贡献包括设计并实现了一个双量子位同相反射测量阵列，该阵列通过一个单一的相位锁定环（PLL）驱动，配合高增益的简并参数放大器（DPA），以实现对量子位状态的高保真度读取。

图1. 提出的双量子位同相反射测量阵列和传统的异相反射测量仪

如图1所示，该阵列通过PLL驱动的CML分频器生成的快速调制的发射脉冲（fm=10~100MHz）发送到传感器量子位对。经过射频反射后，高频（HF）和低频（LF）接收通道使用由相同TX PLL驱动的DPA放大反射的TX脉冲。通过矢量调制（VM）仔细控制TX脉冲的幅度和相位，以实现参数增益。随后通过平方律检测器和锁定放大器依次执行包络检测和基带噪声滤波。所提出的单PLL架构大大简化了电路设计。由于频率选择性参数放大、快速TX调制和锁定检测，抑制了闪烁噪声和互调分量。在20mK下，约瑟夫森结参数放大器（JPA）通过行波放大展示了优越的低温性能。然而由于行波方案中的电感器在CMOS芯片上占用了大量面积，传统的低温CMOS参数放大器（PA）采用了低Q、单一谐振槽路（Q=5~15），并且与50Ω射频输入源电阻性耦合，显示出低射频增益和高噪声。

图2. 简并参数放大器（DPA）的工作原理、电路图和电磁结构。

研究还提出了一种简并参数放大器（DPA），如图2所示。它通过将共模（CM）射频输入信号动态耦合到差分模式（DM），未加载的高Q谐振槽路（Q=30~40）中，提供了高参数射频增益。所提出的DPA由一对反并联非线性传输线（APNLTL）组成，配备积累模式PMOS变容二极管、电感器和50Ω负载电阻。在APNLTL的上方，如果变容二极管的阳极看到的CM射频输入信号与fpump=2fRF的泵浦信号相位对齐，则会进行参数放大。然而在APNLTL的下方，CM射频输入信号在相同的相位对齐下通过看到变容二极管的阴极而被衰减。因此在fpump=2fRF CM输入的泵浦下，通过参数放大创建了一个fRF的DM信号。然后APNLTL在fRF处是半波长，作为未加载的、高Q λ/2谐振器，用于高增益参数放大，因为DM信号在APNLTL的两端短路。

接下来DM信号从APNLTL中心耦合出来，以CM到DM的转换，并由退化的NMOS对缓冲进一步放大，以提高CM抑制。同时上述动态模式耦合技术实现了有效的输入到输出隔离和由于CM到DM模式隔离而减少的反向泄漏。CM，行波射频输入信号在fRF和fpump处被50Ω负载吸收，用于阻抗匹配，在动态模式耦合下保持不变。由于DM槽路的有效Q提高到30~40，DPA不仅提供了更高的射频增益（>20dB），而且还执行了频率选择性滤波以减少输入干扰。

图3. DPA的噪声模型，带有数字延时线（DDL）的快速调制CML分频器，芯片照片，以及4.2K测量设置

此外，研究还介绍了在低温环境下对芯片进行的测试，包括电容-电压（C-V）特性测试和噪声温度的测量，这些测试结果验证了所提出电路设计的有效性和优越的低温性能。通过与传统的异相反射测量方案相比，所提出的方案在直流功耗、带宽、增益和量子位读取方面展现出了显著的优势。

本研究中使用的泽攸科技低温探针台主要用于在低温环境下测试和测量芯片的性能。这个设备允许研究人员在接近量子计算机操作温度的条件下，对芯片进行准确的电容-电压（C-V）特性测试。通过这种测试，研究人员能够评估变容二极管在不同温度下，特别是从室温298K降低到低温10K时，电容的可调性和品质因数的变化。这样的测试对于验证和优化超导量子位的读出和控制电子设备在实际量子计算应用中的性能至关重要。泽攸科技低温探针台的使用确保了测试结果的准确性和可靠性，因为它提供了必要的低温环境和准确的测量能力，这对于评估和改进量子计算系统中使用的CMOS集成电路的性能是不可或缺的。

以上就是泽攸科技小编分享的泽攸科技低温探针台在量子计算芯片测试中的应用。更多产品及价格请咨询15756003283(微信同号)。