我国科学家攻克超低温量子接口技术：首提无需修调的超低温低功耗 CMOS 电压基准，成果登顶刊 JSSC

据IT之家报道，中国科学技术大学近日发布消息称，微电子学院程林教授团队与澳门大学罗文基教授团队合作，在超低温量子接口基准电路研究领域取得重大突破。

这项研究首次提出了一种超低温低功耗CMOS电压基准，无需进行修正即可在极端温度下实现高精度稳定输出。相应研究成果发表在固态电路领域著名期刊《Journal of Solid-State Circuits》（JSSC）上，这一技术为量子计算的规模化应用提供了重要支持。

新技术背景

据悉，为了减少热噪声对量子比特的影响，大多数量子计算机（如超导量子计算机）需要在接近绝对零度的环境中运行。这就需要大量高保真度的量子位和控制接口电路，以便在室温的经典领域和低温的量子领域之间传递信号。

在各种接口电路模块中，基准电路至关重要。为了确保在初始测试、热过渡和系统异常等工作条件下的可靠性，电压基准必须能够在稀释制冷机到外界环境的温度范围内（从300K到4K）保持稳定输出特性，这需要对温度波动和工艺偏差具有极低的敏感性。

然而，在超低温条件下，标准CMOS器件可能出现阈值电压漂移、非线性效应加剧、扭结效应等问题，这给量子接口基准电路在极端低温环境下的适应性带来了挑战。因此，设计高鲁棒性、适用于超低温环境的量子接口基准电路将有助于解决量子计算大规模应用中的关键技术问题。

技术突破

研究团队提出了一种创新性解决方案，设计了一种无需修调的超低温低功耗CMOS电压基准量子接口电路，并提出了同时实现温度和工艺的自补偿技术。

这一基准电路在300K到4K的极宽温度范围内实现了高精度电压输出，并表现出出色的鲁棒性。

该设计采用了标准CMOS180nm工艺，并对两批共80枚芯片进行了测试。结果显示，只需一次模型校准，即可实现跨批次无需修正操作，基准电路的平均温度系数（TC）为76.9 ppm/K，电压波动仅为0.72%，具有极高的温度和工艺精度。

该电压基准电路在300K到4K的工作范围内仅消耗195-304nW的功耗，输出电压均值为1.045V。它通过标准CMOS工艺实现了纳瓦级的超低功耗，并在工艺、电压和温度变化（PVT）方面表现出出色的稳定性。

这种设计能够以较低成本集成到量子接口电路和用于超低温环境下的宇航探测等芯片中，为这些超低温应用提供可靠的解决方案。

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