带有焊线的芯片的显微照片。功劳:鲁菲诺等人洛桑联邦理工学院(EPFL)和日立剑桥实验室的研究人员最近设计了一种集成电路，将硅量子点与传统的读出电子器件集成在一起。发表在《自然电子》杂志上的一篇论文中介绍了这种芯片，它基于40纳米低温互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，这种技术很容易在商业上获得。“我们最近的论文建立在两个相关小组的专业知识基础上，”进行这项研究的EPFL研究人员之一安德里亚·鲁菲诺告诉TechXplore。“我们小组的目标是构建用于量子计算机读出和控制的低温(Bi)CMOS集成电路，在最后阶段与硅量子处理器共同封装或共同集成。另一方面，日立剑桥实验室的团队多年来一直在研究硅量子器件。”
鲁菲诺和他在EPFL的同事与日立剑桥实验室的团队合作，共同的目标是将经典电路和量子器件结合在一个芯片上。他们的论文建立在他们之前的一些努力的基础上，包括为量子计算提出低温CMOS集成电路，以及实现硅量子器件的快速传感和时间复用传感。
“在我们的新论文中，我们试图提出一个完全集成的电路版本，目标是展示量子器件读出的可扩展架构，在工业技术中将经典电子和量子器件共同集成在单个芯片中，在微波频率下集成基于门的色散读出，最后是时间、频率和组合的时间/频率复用读出，”Ruffino解释道。
鲁菲诺和他的同事最近研究的主要目标是结合日立实验室团队设计的快速传感和时间复用技术，实现二维(即时间和频率)复用传感。为了实现这一目标，他们构建了一个2D晶体管阵列，并将这两种技术都应用于其中。
参与该研究的日立剑桥实验室研究员杨宗叶(tsong-Yeh Yang)在接受TechXplore采访时表示:“我们还希望利用标准制造技术，将我们之前工作中引入的所有组件(即传感器、控制/访问机制和设备)集成到一个芯片中。"因此，我们演示的原型可以很容易地放大."
研究人员设计的芯片由互补金属氧化物半导体晶体管制成，类似于用于制造智能手机和其他常见电子设备的晶体管。然而，与传统晶体管形成对比的是，集成在新芯片内部的晶体管工作在低温(即50 mK)下，并且还包含硅量子点阵列。
鲁菲诺解释说:“通过向量子器件的栅极发送微波信号，并读取反射的信号响应，可以检测到量子器件的状态。“在这个芯片中，九个量子器件的阵列被分成三行三列。每一行都连接到一个以不同频率响应的微波谐振器，提供频率复用特性，每一列都连接到允许连接/断开量子器件的存取晶体管，从而提供时间复用特性。”
鲁菲诺和他的同事采用的独特设计允许他们的芯片在不同的频率下同时读取由一根电线和一个二极管连接的多个量子设备。此外，可以通过存取晶体管单独选择要读出的器件。
“芯片包含两个主要模块:一个设备模块和一个传感器模块，”杨说。
“设备模块由40纳米大块硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 2D阵列构成，而传感器模块由作为静电计的金属电感电容(LC)谐振器构成。”
值得注意的是，研究人员的芯片集成了读出信息所需的所有元件，包括量子器件、经典晶体管和微波谐振器。与其他以前开发的芯片相比，该集成电路可以用于读出更大的量子系统，同时保持灵活的架构。
“我们芯片的结构基于动态随机存取存储器(DRAM)架构，即行-列结构，以控制/访问MOSFET阵列，”杨说。
“使用DRAM架构的第一个优点是，控制线的数量仅随场效应晶体管的数量次线性缩放，而不是在单线单场效应晶体管的情况下线性缩放。第二种是利用微波频率反射测量技术，通过LC谐振器来检测场效应晶体管的电状态，与传统的直流传输测量相比，这种技术速度更快、分辨率更高、占用芯片面积更小。”
新芯片的一个关键优势是，它的两个模块(即器件和传感模块)使用标准的商用40纳米互补金属氧化物半导体技术结合在一起。这意味着在未来它可以很容易地大规模生产。
“我们使用的40纳米体硅场效应晶体管在室温下表现得像典型的场效应晶体管，”杨说。“然而，我们发现量子点(QDs)是构建硅基量子比特(qubits)的基础，可以在深低温下被诱导(
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