Cryogenic characterization and modeling of a CMOS floating-gate device for quantum control hardware
我们执行的浮栅器件实现了商业350纳米CMOS技术在低温下的表征和建模。该器件的可编程性为实现大规模量子计算机中量子位控制的精确和灵活的低温系统提供了解决方案。该器件在浮栅节点上存储非易失性电荷，该电荷可以通过福勒-诺德海姆隧穿和冲击电离热电子注入进行双向修改。这两种压射机构在300 K和15 K下都被表征和建模在紧凑的方程中。在低温下，我们展示了与精确模拟存储器的操作兼容的存储电荷的微调。此外，我们开发了精确的模拟模型，提出的浮栅器件，为设计一个可编程的模拟电路，具有更好的性能和精度在几个开尔文的阶段。这项工作提供了一个解决方案，在可配置的模拟电子学的设计，用于准确地读出量子比特状态在深低温温度。
2021-10-05 physics.app-ph quant-ph
CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits
最有前途的量子算法在针对实际应用时需要托管数百万量子比特的量子处理器。大规模量子计算的一个主要挑战是互连复杂性。在当前的固态量子比特实现中，稀释制冷机中的量子芯片和室温电子器件之间出现了一个主要瓶颈。先进的光刻技术支持在硅中制造CMOS控制电子器件和量子位。当电子器件被设计成在低温下工作时，它最终可以与量子位集成在同一个芯片或封装上，克服布线瓶颈。在这里，我们报告了一个低温CMOS控制芯片工作在3 K，输出量身定制的微波爆发驱动硅量子位冷却到20 mK。我们首先对控制芯片进行基准测试，并发现电气性能与99.99%保真度量子位操作一致，假设理想的量子位。接下来，我们用它来相干控制实际的硅自旋量子比特，发现低温控制芯片达到了与商业仪器相同的保真度。此外，我们通过在双量子位量子处理器上编程一些基准测试协议以及Deutsch-Josza算法来突出控制芯片的广泛功能。这些结果为完全集成、可扩展的硅基量子计算机开辟了道路。
2020-09-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Scaling up Superconducting Quantum Computers with Cryogenic RF-photonics
今天的百量子位量子计算机需要达到数百万量子位的巨大规模才能解决现实世界的问题。尽管已经展示了各种量子比特技术，但可扩展性仍然是一个主要障碍。超导（SC）量子比特是克服这一挑战的最成熟和最有前途的技术之一。然而，这些量子比特驻留在毫开尔文低温稀释冰箱中，将它们与热和电噪声隔离开来。它们由一个装满外部电子设备的机架通过极其复杂的布线和电缆控制。尽管可以在单个芯片上制造数千个量子位，并将其冷却到毫开尔文温度，但扩大控制和读出电子设备仍然是一个难以捉摸的目标。这主要是由于低温系统中有限的可用冷却功率限制了布线容量和布线热负荷管理。在本文中，我们专注于通过使用低温RF光子链路来按比例增加XY控制线的数量。这是建立千量子比特超导QC的主要障碍之一。我们将首先回顾和研究最先进的方法，包括低温CMOS和深低温光子方法，以扩大SC量子位系统的控制接口的挑战。我们将详细讨论它们由于主动功耗和被动热泄漏而导致的局限性。通过对噪声源和热预算限制进行分析建模，我们将证明我们的解决方案可以实现高达1000个量子位的规模。我们提出的方法可以无缝地实现使用先进的硅光子工艺，所需的光纤的数量可以进一步减少使用波分复用（WDM）。
2022-10-27 cs.SY eess.SY physics.app-ph
Ingress Cryogenic Receivers Toward Scalable Quantum Information Processing: Theory and System Analysis
本文提出全无源多路复用cryo-HFDD低温直接检测控制平台，分析光/亚太赫兹链路的热负载、噪声与损耗权衡，证明其可在4 K下支持数千量子比特的低成本可扩展控制。
2025-09-30 cs.SY eess.SY physics.app-ph
Cryogenic High-Frequency Readout and Control Platform for Spin Qubits
我们已经开发了一个用于自旋量子比特控制和读出的低温平台，该平台包括基于一组耦合印刷电路板的高密度直流和射频样品互连。模块化设置包括24条滤波直流线路、14条控制和读出线路，带宽从直流到6 GHz以上，以及2条微波连接，用于40 GHz的激励。我们报告了该平台的性能，包括信号完整性和串扰测量，并讨论了构建多量子位器件所需的样本互连技术的设计标准。
2011-11-29 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Engineering cryogenic setups for 100-qubit scale superconducting circuit systems
一个强大的低温基础设施的形式有线，热优化稀释制冷机是必不可少的，现在和未来的基于固态的量子处理器。在这里，我们设计了一个可扩展的低温设置，可以最大限度地减少被动和主动热负载，同时保证快速的量子位控制和读出。我们回顾了量子位驱动线，磁通线和输出线的设计标准，在典型的超导电路实验中使用，并详细描述了每种类型的线。测量了不锈钢和NbTi同轴电缆的被动热负载以及由于信号耗散引起的主动负载，验证了我们用于衰减器、电缆和其他微波元件的热锚定的稳健且可扩展的概念。我们的研究结果对于管理未来基于超导电路的大规模量子计算机的热预算非常重要。
2018-06-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Cryogenic Compact Low-Power 60GHz Amplifier for Spin Qubit Control in Monolithic Silicon Quantum Processors
本文设计并实验表征了一款用于单片硅量子处理器自旋量子比特控制的低温紧凑型低功耗60GHz放大器，采用无电感有源网络，在2 K下实现15 dB增益、15 GHz带宽、2.16 mW功耗和0.18×0.19 mm²核心面积。
2024-06-17 quant-ph
A Cryogenic Hybrid Photonic/CMOS Controller Architecture for Scalable Superconducting Qubit Control
Rensselaer Polytechnic Institute（伦斯勒理工学院）
提出一种4K混合光子/CMOS控制架构，通过光纤分发共享脉冲模板，结合低温CMOS电路实现本地编程，降低功耗并支持单/双量子门生成，为可扩展超导量子比特控制提供可行方案。
2026-09-03 quant-ph
Demonstration of a quantum logic gate in a cryogenic surface-electrode ion trap
我们展示了一个单一的被困离子在低温，表面电极陷阱的量子控制技术。Sr+的窄光学跃迁与谐波俘获势的基态和第一激发运动态一起形成两量子比特系统。光学量子比特跃迁易受磁场涨落的影响，我们用一种简单而紧凑的方法使用超导环来稳定它。运动量子比特的退相干被低温环境抑制。AC斯塔克位移校正是通过控制脉冲序列器中的激光相位来实现的，从而消除了对额外激光器的需要。利用条件脉冲序列实现了原子和运动态的量子过程层析成像。通过这些技术，我们在单个离子中展示了Cirac-Zoller控制非门，平均保真度为91（1）%。
2010-07-27 quant-ph
A cryogenic SRAM based arbitrary waveform generator in 14 nm for spin qubit control
量子比特门序列的实现需要具有可编程幅度、持续时间、间隔和相位的相干微波控制脉冲。提出了一种基于SRAM的自旋量子比特低温控制任意波形发生器。在这项工作中，我们证明了一个完全可编程的射频任意波形发生器在14纳米FinFET技术的低温操作。来自控制处理器的波形序列可以存储在SRAM存储器阵列中，该SRAM存储器阵列可以被实时编程。波形模式通过源串联端接的数模转换器转换为微波脉冲。该芯片在4K下工作，能够在所需的载波频率下生成任意包络形状。AWG的总功耗为40 - 140mW，在4 K，取决于波特率。在4 K下测量到1 - 17 GHz的宽信号频带，而使用频分复用可以在40 dB的平均无杂散动态范围内实现多量子比特控制。这项工作为最佳量子位控制和闭环反馈控制铺平了道路，这是实现低延迟错误缓解所必需的
2022-11-03 eess.SP quant-ph
A cryogenic on-chip microwave pulse generator for large-scale superconducting quantum computing
本文提出一种低温片上微波脉冲发生器，由数字信号驱动，在毫开尔文温度下产生可控脉冲微波，实现超导量子比特高保真读出，为大规模超导量子计算提供兼容且低热负载的使能技术。
2024-07-16 quant-ph
Cryogenic resonant amplifier for electron-on-helium image charge readout
针对氦上电子单电子 Rydberg 跃迁产生的 fA 级镜像电流探测难题，本文研制基于 FHX13LG HEMT 的低功耗低温谐振放大器，并验证其可在 1 Hz 带宽下实现 SNR=8。
2023-11-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Cryogenic Multiplexing Control Chip for Superconducting Quantum Processor
Tsinghua University（清华大学）；Beijing National Research Center for Information Science and Technology（北京信息科学与技术国家研究中心）；Beijing Innovation Center for Future Chips, Tsinghua University（清华大学未来芯片创新中心）
该研究提出一种低温多路复用控制芯片（MCC），可通过单根微波电缆控制多个超导量子比特，经仿真验证其性能，能减少微波控制线数量，助力大规模超导量子处理器研发。
2026-10-15 quant-ph
High speed flux sampling for tunable superconducting qubits with an embedded cryogenic transducer
我们开发了一种高速片上磁通测量使用电容并联SQUID作为嵌入式低温换能器，并将这种技术应用于近期可扩展的印刷电路板（PCB）封装的频率可调超导量子比特的资格。换能器是一个通量可调LC谐振器，其中施加的通量改变谐振频率。我们应用微波音调来探测这个频率，并使用时域零差测量来提取作为施加到SQUID的通量的函数的反射相位。传感器响应带宽为2.6 GHz，最大增益为$\rm 1200^\circ/Φ_0$，使我们能够研究优于0.1%的建立幅度。我们使用这种技术来表征片上偏置线路由和各种基于PCB的封装，并证明阶跃响应建立可以在建立时间和幅度上按数量级变化，这取决于是否使用正常或超导材料。通过在铝中电镀铜PCB，我们测量了与用于现有高保真量子比特的封装一致的阶跃响应。
2018-08-30 quant-ph
A 28nm Bulk-CMOS 4-to-8GHz <2mW Cryogenic Pulse Modulator for Scalable Quantum Computing
未来的量子计算系统将需要低温集成电路来控制和测量数百万个量子比特。在本文中，我们报告的原型低温CMOS集成电路，已被优化的控制transmon量子位的设计和表征。该电路已被集成到一个量子测量装置，其性能已通过多个量子控制实验进行了验证。
2019-02-28 quant-ph
Metamaterials in Superconducting and Cryogenic Quantum Technologies
本综述提出将超材料作为解决超导量子计算机相干性与扩展性挑战的方案，通过调控光子态密度抑制退相干并实现长程耦合，推动其成为下一代量子技术的核心架构。
2025-06-24 physics.app-ph physics.optics quant-ph
A Cryogenic Interface for Controlling Many Qubits
一台按比例放大的量子计算机将需要一个高效的控制接口，可以自主操纵和读取大量的量子位，对于固态实现来说，这些量子位通常保持在毫开尔文（mK）温度下。先进的CMOS技术与量子系统紧密集成，是实现这种控制接口的理想选择，但通常会因其功耗而打折，导致脆弱的量子位发热。在这里，我们展示了一个超低功耗，基于CMOS的量子控制平台，它以数字命令为输入，并生成许多并行的量子位控制信号。通过使用100，000个在100 mK附近工作的晶体管实现，我们的平台通过利用晶体管在低温下的低泄漏来将电荷存储在用于调整量子器件的浮栅结构上，从而减少了对每个量子位的单独控制线的需求。然后，这种电荷可以在片上电容器之间快速洗牌，以生成动态量子位控制所需的快速电压脉冲。我们基准这种架构上的量子点测试设备，显示出成千上万的栅电极的控制是可行的商用稀释制冷机的冷却功率内。
2019-12-03 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Cryogenic Control Architecture for Large-Scale Quantum Computing
固态量子比特最近已经发展到使它们能够在原则上扩展到容错量子计算机的水平。随着这些物理量子比特的不断发展，实现量子机器的挑战也将需要新的经典硬件和控制架构的工程，其复杂性远远超过今天的几个量子比特实验中使用的系统。在这里，我们报告了一个微架构，用于在执行量子算法（如纠错码）期间控制和读取量子位。我们展示了这种架构的基本原理，在一个配置中，控制系统的组件分布在不同的温度阶段的稀释制冷机，由可用的冷却功率。组合设置包括一个低温现场可编程门阵列（FPGA）控制开关矩阵在20毫开尔文，这反过来又操纵半导体量子位。
2014-09-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Classical Interfaces for Controlling Cryogenic Quantum Computing Technologies
本文综述了低温量子计算中经典接口技术，分析了当前及下一代多量子比特系统的控制方法，涵盖半导体和超导低温电子学及光学、无线接口等新进展。
2025-04-25 physics.app-ph quant-ph
A Reconfigurable Cryogenic Platform for the Classical Control of Scalable Quantum Computers
固态量子比特技术的最新进展正在为容错量子计算系统铺平道路。然而，量子比特技术受到量子比特相干时间以及将量子系统与经典电子基础设施耦合的复杂性的限制。我们提出了一个基础设施，使读取和控制量子位，这是一个现场可编程门阵列（FPGA）上实现。FPGA平台支持多种量子位技术所需的功能，并且可以在4K到300K的温度范围内物理上接近量子位运行。在此温度范围内对平台进行的广泛表征表明，所有主要组件（如LUT、MMCM、PLL、BRAM、IDELAY2）都能正常工作，逻辑速度非常稳定。最后，通过在整个温度范围内运行具有相对稳定性能的集成ADC来实现稳定性。
2017-04-24 physics.ins-det quant-ph
Microwave Quantum Link between Superconducting Circuits Housed in Spatially Separated Cryogenic Systems
超导电路是实现量子计算系统的有力竞争者，也被成功地用于研究量子光学和混合量子系统。然而，它们的低温操作温度和目前缺乏保持相干性的微波到光学转换解决方案，阻碍了超导量子网络跨越不同低温系统或更大距离的实现。在这里，我们报告的低温波导相干连接transmon量子位位于两个稀释冰箱分开的物理距离为5米的成功操作。我们在这个基本网络的两个节点之间传输量子比特态并按需产生纠缠，平均传输和目标态的正确率分别为85.8%和79.5%。低温微波链路确实提供了一个机会，可以扩大量子计算系统的规模，并在至少几十米的长度尺度上创建局域量子通信网络。
2020-08-04 quant-ph
Quantum computing using floating electrons on cryogenic substrates: Potential And Challenges
本文综述了基于低温衬底上浮动电子的量子比特平台，重点介绍其长相干时间潜力、自旋-电荷杂化机制及通过LC谐振器实现控制与读出的方法。
2023-12-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon-based Josephson junction field-effect transistors enabling cryogenic logic and quantum technologies
本综述梳理了约瑟夫森结场效应晶体管（JJFET）的演进，分析不同衬底器件的性能与材料兼容性，指出其可衔接传统半导体与低温/量子电路，是下一代低温逻辑与量子电子系统的核心基础器件。
2025-10-29 cs.AR cs.SY eess.SY
Discovery of Nb hydride precipitates in superconducting qubits
该研究利用 HR-TEM、STEM、AFM 与 TOF-SIMS 在 Rigetti 超导量子比特铌膜中发现多种氢化铌析出物，指出其可引发准粒子与 TLS 损耗并解释冷却间性能变化。
2023-09-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Bidirectional Quantum Processor Interfacing by a 4-Kelvin Analog Signal Chain for Superconducting Qubit Control and Quantum State Readout
IIT Tirupati（印度理工学院蒂鲁帕蒂分校）；IIIT Hyderabad（印度信息科学与技术研究所海德拉巴分院）
本文提出了一种4K低温模拟信号链，用于实现超导量子比特的双向控制与量子态读取，通过仿真验证了系统的信号完整性和性能指标。
2026-02-15 eess.SP quant-ph
Superconductor modulation circuits for Qubit control at microwave frequencies
针对量子比特控制的规模化瓶颈，本文提出基于 SFQ/AQFP 超导逻辑的片上函数发生器，利用超导混频实现数十 GHz 调制，并经 RF 匹配在 4.2 K 向 mK 级传输低噪声信号。
2023-09-27 cond-mat.supr-con physics.app-ph quant-ph
CryoCMOS RF multiplexer for superconducting qubit control, readout and flux biasing at millikelvin temperatures with picowatt power consumption
Imec；Department of Electrical Engineering (ESAT), KU Leuven（荷语鲁汶大学电气工程系(ESAT)）；Proximus Chair in Quantum Science and Technology, department of Electrical Engineering (ESAT), KU Leuven（荷语鲁汶大学电气工程系(ESAT)普洛克西穆斯量子科学与技术讲席）
本文提出一种低温CMOS射频多路复用器，用于超导量子比特的控制、读取和磁通偏置，在毫开尔文温度下以极低的功率消耗实现高隔离度和低插入损耗，为大规模量子系统提供高吞吐量的低温测试工具。
2026-03-17 quant-ph
Integrated multiplexed microwave readout of silicon quantum dots in a cryogenic CMOS chip
固态量子计算机需要经典电子学来控制和读出单个量子比特，并实现快速经典数据处理[1-3]。在固态量子处理器运行最佳的深低温下集成两个子系统[4]，可以解决一些主要的扩展挑战，例如系统大小和输入/输出（I/O）数据管理[5]。硅量子点（QD）中的自旋量子位可以使用超大规模集成（VLSI）与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件单片集成，从而利用半导体行业的广泛制造经验[6]。然而，在mK温度下使用工业CMOS进行集成的实验演示仍处于起步阶段。在这里，我们提出了一个使用工业CMOS技术制造的低温集成电路（IC），它包含硅基量子处理器的三个关键成分：QD阵列（在这里以非交互式3x 3配置排列），数字电子器件，以最大限度地减少使用行列寻址的控制线和用于多路复用读出的模拟LC谐振器，所有这些都在50 mK下工作。与微波谐振器（6-8 GHz范围），我们显示分散读出的量子点的电荷状态，并执行组合的时域和频域复用，实现可扩展的读出，同时减少整体芯片的足迹。这种模块化架构探讨了使用工业CMOS技术实现集成量子和经典电子学的大规模硅量子计算机的限制。
2021-01-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Dispersive Microwave Sensing for Quantum Computing with Floating Electrons
本研究开发了低温微波源和基于谐振器的读出技术，用于在低温基板上实现漂浮电子作为量子比特的测量。
2026-01-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Closing a quantum feedback loop inside a cryostat: Autonomous state preparation and long-time memory of a superconducting qubit
我们提出使用低温非线性共振器来实现超导量子位的投影读出、经典存储和反馈。这种方法避免了在具有室温控制器的典型系统中的温度级之间的双向通信中固有的许多低效率，并且避免了增加低温热负荷。这种控制器可以在多量子比特系统中找到广泛的用途，但在这里，我们分析了单量子比特控制中的两个具体的演示案例。在第一种情况下，非线性控制器被用来初始化量子比特在一个明确的本征态。在第二种情况下，量子比特的状态被读入控制器的经典存储器，在那里它被存储了一段不确定的时间，然后在量子比特衰减后用于恢复测量的状态。我们分析了这个系统的属性，我们显示模拟的时间演化的完整系统动力学。
2016-01-28 quant-ph
Control and readout of a superconducting qubit using a photonic link
实现通用量子计算机的革命性承诺将需要具有数百万量子比特（qubit）的处理器。在超导量子处理器中，每个量子比特都是用微波信号线单独寻址的，微波信号线将室温电子设备连接到量子线路的低温环境。与每个量子位的多条同轴线相关的复杂性和热负荷将处理器的可能大小限制在几千个量子位。在这里，我们介绍了一种光子链路，采用光纤将调制激光从室温引导到低温光电探测器，能够直接在毫开尔文温度下提供散粒噪声限制的微波信号。通过演示超导量子比特的高保真控制和读出，我们表明，这种光子链路可以满足超导量子信息处理的严格要求。利用光纤的低热导率和大的固有带宽，可以有效地大规模多路传输相干微波控制脉冲，为实现百万量子位通用量子计算机提供了一条途径。
2020-09-02 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Using Cryogenic CMOS Control Electronics To Enable A Two-Qubit Cross-Resonance Gate
本文采用14nm FinFET低温CMOS ASIC在4K下控制固定频率transmon，实现两量子比特交叉共振门，并通过RB、旋转回波与哈密顿量建模表征误差及驱动诱导Z旋转。
2023-12-09 physics.ins-det quant-ph
Compact gate-based read-out of multiplexed quantum devices with a cryogenic CMOS active inductor
在可扩展的量子处理器的努力中，正在致力于开发用于控制和读出越来越多的量子位的低温经典硬件。在这里，我们报告了一个低温电路，其中包含一个基于CMOS的有源电感，可以实现快速阻抗测量，灵敏度为10 aF，输入参考噪声为3.7 aF/sqrt（Hz）。这种类型的电路是专门为半导体自旋量子比特的读出而设计的。与基于色散射频反射计的常用方案（需要mm级无源电感）相反，它允许显著减少占用空间（50 $μ$ m $\times$ 60 $μ$ m），便于其集成在可扩展的量子经典架构中。此外，它的有源电感导致谐振电路具有可调谐的频率和品质因数，使读出灵敏度的优化。
2021-02-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Extended Rydberg Lifetimes in a Cryogenic Atom Array
Department of Physics, Princeton University（普林斯顿大学物理系）；Department of Electrical and Computer Engineering, Princeton University（普林斯顿大学电气与计算机工程系）
在低温环境下，通过优化光镊阵列和量子比特操控，实现了更长的里德堡寿命，为提高中性原子双量子比特门保真度提供支持。
2026-02-05 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Persistence of Entangled States and High Fidelity Quantum Gate Operations in Si/SiGe Spin Qubits at High Temperature
Equal1 Laboratories（Equal1 实验室）
研究高温下Si/SiGe自旋量子比特的纠缠态保持及高保真量子门操作，通过随机基准测试和贝尔态重构评估其量子信息处理能力。
2026-03-15 quant-ph
Space-Time-Coupled Qubits for Enhanced Superconducting Quantum Computing
本研究提出利用时空调制的低温兼容Josephson超构表面实现多色量子比特耦合，将最近邻连接转变为全连接，显著提升超导量子比特阵列的相干性、鲁棒性和纠缠保真度。
2025-01-30 cond-mat.supr-con quant-ph
Low-noise amplifier cryogenic testbed validation in a TaaS (Testing-as-a-Service) framework
本文验证了一个用于低温微波组件认证的TaaS框架，通过由测试机构、制造商、学术伙伴和集成商组成的工作组模型，以低噪声放大器为测试载体设计了标准测试指标与流程，并利用定制低温测试平台成功复现参数并表征原型，为量子计算供应链的规模化测试提供了可扩展方案。
2023-09-07 physics.ins-det quant-ph
On-chip cryogenic multiplexing of Si/SiGe quantum devices
本文提出将片上FET多路复用电路与Si/SiGe量子器件集成，实现控制布线减少近十倍，并在16个霍尔棒阵列中验证低温量子霍尔效应，为大规模硅量子处理器的有限连接读出提供方案。
2024-10-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust cryogenic matched low-pass coaxial filters for quantum computing applications
电磁噪声是影响超导量子比特相干性的重要外部因素之一。匹配同轴滤波器可以有效地抑制微波和红外光子对超导量子线路的影响。在这里，我们报告的匹配低通同轴滤波器的设计和制造路线的噪声敏感测量在毫开尔文温度。实现了具有设计的线性吸收（-1dB/GHz）和在高达20 GHz下小于-20 dB的超低反射损耗的鲁棒传输系数。我们提出了一个数学模型，用于评估和预测过滤器的传输参数取决于它们的尺寸。在两个不同长度的过滤器原型上进行了实验验证，其中Cu粉末和Stycast商业树脂的化合物表现出出色的匹配性。所提出的设计和组装路线是通用的各种化合物，并提供高重复性的几何和微波特性。最后，我们展示了三个滤波器几乎相等的反射和传输特性的范围从0到20 GHz，这是相当有用的控制多通道超导量子线路。
2022-10-27 physics.app-ph quant-ph
The electronic interface for quantum processors
相对于传统计算机，量子计算机可能提供前所未有的速度提升。然而，量子比特（qubit）的数量及其性能的显着增加需要证明这种量子霸权。虽然扩大底层量子处理器的规模是极具挑战性的，但构建连接这种大规模处理器所需的电子设备也同样重要和艰巨。本文讨论了为量子处理器设计可扩展电子接口的挑战。为此，我们讨论了不同量子位技术的要求，并提出了现有的电子接口的实现。在扩大这种国家的最先进的实现的局限性进行了分析，并审查可能的解决方案，以克服这些障碍。讨论了在低温下接近低温量子位操作电子接口所带来的好处。尽管量子处理器低温控制领域的研究人员仍然面临着一些重大挑战，但低温电子接口似乎是使大规模量子计算机能够解决改变世界的计算问题的可行解决方案。
2019-03-15 quant-ph
Self Clocked Digital LDO for Cryogenic Power Management in 22nm FDSOI with 98 Percent Efficiency
针对量子计算4K低温控制电路的高效供电需求，本文在22nm FDSOI中设计自时钟数字LDO，利用背栅偏置补偿约200mV阈值漂移，并通过精细闭环提升失配容忍度、效率与瞬态响应。
2025-05-15 cs.SY eess.SY quant-ph
Qubit-Based Benchmarking of InP HEMT LNAs: Readout Fidelity Versus Power Consumption
Chalmers Next Labs AB（查尔姆斯Next实验室有限公司）
提出量子比特在环基准测试方法，用单次读出IQ直方图评估InP HEMT LNA，发现60%铟含量器件保真度最高，为功率受限读出系统提供选型指导。
2026-09-10 physics.app-ph quant-ph
All-optical single-shot readout of a superconducting qubit
本文在毫开尔文温度下实现电光微波光子学，利用Jaynes-Cummings非线性在无环行器方案中演示了超导量子比特的全光单发读出，无需任何低温微波设备，并验证了其与量子比特态的高保真兼容性。
2023-10-25 quant-ph
Cryogenic Performance Evaluation of Commercial SP4T Microelectromechanical Switch for Quantum Computing Applications
本文评估了商用MEMS开关在低温（<10 K）下的直流与射频性能，发现其导通电阻、工作电压和射频特性均优于常温，并演示了SP4T切换及NAND/NOR逻辑运算，验证了其用于大规模量子计算低温多路复用器的可行性。
2025-07-17 physics.app-ph physics.ins-det quant-ph
Microwave calibration of qubit drive line components at millikelvin temperatures
量子位状态准备中的系统误差由于量子位控制线中的非理想性（诸如阻抗失配）而出现。使用基于数据的方法，在30 mK的温度下短开路负载校准，我们报告校准的1端口散射参数数据的各个量子位驱动线组件。在5~GHz，20 dB衰减器、10 dB衰减器、230 mm长0.86 mm镀银白铜同轴电缆和230 mm长0.86 mm NbTi同轴电缆的低温回波损耗分别为35 $^{+3}_{-2}$ dB、33 $^{+3}_{-2}$ dB、34 $^{+3}_{-2}$ dB和29 $^{+2}_{-1}$ dB。对于相同的频率，我们还提取了0.99 $^{+0.04}_{-0.04}$ dB和0.02 $^{+0.04}_{-0.04}$ dB的同轴电缆的低温插入损耗。我们解释的结果使用一个主方程模拟所有XY门上执行一个单一的量子位。例如，我们模拟了两个5 ns的门脉冲序列（X和Y），通过一个2元件法布里-珀罗腔，路径长度为276 mm，直接在量子位之前，并确定其反射元件的回波损耗必须>9.7 dB（> 14.7 dB），以获得99.9%（99.99%）的门保真度。
2022-01-29 physics.app-ph physics.ins-det quant-ph
Reverse isolation and backaction of the SLUG microwave amplifier
一个理想的量子位测量放大器必须不仅提供高增益和接近量子极限的噪声性能，而且还将精密的量子线路与噪声的下游测量级隔离，同时产生可忽略的反作用。在这里，我们使用超导低电感波动电流计（SLUG）微波放大器读出超导transmon量子比特，我们表征了SLUG的反向隔离和测量反作用。对于适当的直流偏置，SLUG实现的反向隔离优于商用低温隔离器。此外，SLUG反作用主要由器件中耗散元件的热发射决定。当SLUG以脉冲模式操作时，可以使用没有低温隔离器或循环器的测量链来表征transmon量子位，而量子位性能没有可测量的退化。
2017-05-04 quant-ph
Optical readout of a superconducting qubit using a piezo-optomechanical transducer
针对超导量子处理器扩展受限于低温环境的问题，提出利用完全集成的压电光机械换能器将量子比特信号转换至光学域进行读出，实现了81%的单次读出保真度，为大型量子处理器的低耗散热管理提供了新方案。
2025-08-14 quant-ph
A system design approach toward integrated cryogenic quantum control systems
在本文中，我们提供了一个系统级的角度来设计控制电子学的大规模量子系统。具有高保真度控制和读出、相干耦合、校准门和具有低错误率的可重构电路的量子计算系统被期望具有优异的量子体积。低温CMOS通过最小化特征尺寸、降低成本、功耗和实现低延迟纠错，在可扩展量子计算机的实现中起着至关重要的作用。我们的方法对实现可扩展的反馈控制系统，包括基于存储器的任意波形发生器（AWG的），宽带射频模数转换器，集成放大器链的设计，和状态鉴别器，可以与门序列同步。数字辅助设计在先进的CMOS节点（如7 nm）中实现时，可以通过缩放获得低功耗的好处。量子位读出链在数字化仪之前需要几个放大级。我们建议共同集成我们内部开发的InP HEMT LNA与CMOS LNA级，以实现所需的增益在数字化仪输入以最小的面积。我们的方法在HEMT LNA和低温CMOS接收器之间使用高阻抗匹配，可以放松基于反相器的CMOS LNA的设计约束，为完全集成的量子位读出链铺平道路。量子位状态转换器由数字信号处理器组成，该数字信号处理器根据数字化仪输出和预定阈值计算量子位状态。所提出的系统实现了基于反馈的最优控制，通过串行接口到室温电子设备的误差缓解和所需的数据速率的减少。
2022-11-03 cs.SY eess.SY quant-ph
An engineering guide to superconducting quantum circuit shielding
本文针对百量子比特以上量子计算面临的退相干挑战，综述了过去10年超导量子电路抗电磁与红外噪声的多层屏蔽、滤波等保护技术，为大规模系统提供高效屏蔽与滤波建议。
2025-07-30 physics.app-ph quant-ph
Cryogenic Control and Readout Integrated Circuits for Solid-State Quantum Computing
本文针对固态量子计算数百万比特集成下室温控制读出电子设备的互连与延迟难题，综述两类低温控制读出集成电路研究，重点介绍CMOS技术的原理、架构及器件建模等内容。
2024-10-30 cs.SY eess.SY quant-ph
Cryogenic Thermal Modeling of Microwave High Density Signaling
本文研究了超导量子计算机中微波高密度信号的低温热模型，通过实验测量电缆热导率和电阻，分析了热负荷与量子比特数的关系，得出理论和实际的量子比特限制。
2025-12-12 physics.ins-det quant-ph
Cryogenic ion trap system for high-fidelity near-field microwave-driven quantum logic
本文设计并表征了一个低温离子阱系统，通过集成片上微波谐振器与特殊电极几何结构，实现高保真近场微波驱动的量子逻辑门。
2022-07-22 quant-ph
Measurements of a quantum bulk acoustic resonator using a superconducting qubit
微波频率下的声子模可以用常规的低温制冷方法冷却到它们的量子基态，这为在单声子水平上研究和操纵量子态提供了一种方便的方法。声子是特别感兴趣的，因为机械变形可以介导与各种不同量子系统的相互作用，包括固态缺陷，超导量子比特，以及使用光机械活性结构时的光子。因此，声子有望用于以量子为中心的各种应用，如传感，信息处理和通信。在这里，我们描述了一个压电量子体声波谐振器（QBAR）与4.88 GHz的谐振频率，在低温下显示大的机电耦合强度与高的固有机械品质因数$Q_i \approx 4.3 \times 10^4$相结合。使用最近开发的倒装芯片技术，我们耦合这个QBAR谐振器的超导量子位在一个单独的模具和演示量子控制的力学耦合系统。这种方法为量子声学和混合量子系统的研究提供了一种简便灵活的实验方法。
2020-12-08 quant-ph
A Compact TIA in 22nm FDSOI CMOS for Qubit Readout in Monolithic Quantum Processors
本文提出一种基于22nm FDSOI CMOS工艺的无电感跨阻放大器（TIA），用于单片量子处理器自旋量子比特读出，其核心面积比现有技术小约两个数量级并接近量子比特尺寸，实现了103 dBΩ增益、13 GHz带宽与4.1 mW功耗。
2024-01-10 physics.app-ph quant-ph
