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探針臺(tái)及低溫系統(tǒng)每一個(gè)設(shè)計(jì)作品都精妙

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澤攸科技低溫探針臺(tái)在量子計(jì)算芯片測試中的應(yīng)用

日期:2024-06-13

在量子計(jì)算領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)高保真度的量子位(Qubit)操作和讀取是至關(guān)重要的。量子計(jì)算的實(shí)用性在很大程度上依賴于能夠準(zhǔn)確控制和讀取大規(guī)模(10^6至10^9)物理量子位陣列的狀態(tài)。為了達(dá)到這一目標(biāo),需要高性能的量子到經(jīng)典界面電子設(shè)備,這些設(shè)備不僅要能夠減少量子位操作的錯(cuò)誤,還要簡化布線復(fù)雜性,從而促進(jìn)量子反饋,為實(shí)際的量子錯(cuò)誤校正(QEC)和邏輯量子門鋪平道路。射頻反射測量(RF reflectometry)是一種廣泛采用的量子位狀態(tài)讀取技術(shù),它通過檢測與傳感器量子位相關(guān)的高Q LC槽路的共振頻率來區(qū)分量子位狀態(tài)(坍縮為“0”或“1”)。

量子計(jì)算領(lǐng)域

但傳統(tǒng)的異相反射測量方案存在一些挑戰(zhàn),例如使用復(fù)雜的上/下混頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和相位鎖定環(huán)(PLL)進(jìn)行量子位激勵(lì)和下混頻,這些設(shè)備存在傳輸接收隔離差、互調(diào)干擾以及高直流功耗等問題,這些問題影響了可擴(kuò)展性和讀取保真度。

低溫探針臺(tái)

針對量子計(jì)算中量子位操作和讀取的挑戰(zhàn),電子科技大學(xué)以及哈馬德·本·哈利法大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用了澤攸科技的低溫探針臺(tái)進(jìn)行了深入研究。他們提出了一種新型的雙量子位同相反射測量陣列,該陣列配備了高Q簡并參數(shù)放大器(DPA),并通過動(dòng)態(tài)模式耦合技術(shù)來提高量子傳感的可擴(kuò)展性、增益和讀取保真度,這項(xiàng)研究發(fā)表在2023年IEEE亞洲固態(tài)電路會(huì)議上(DOI:10.1109/A-SSCC58667.2023.10347990)。

澤攸低溫探針臺(tái)

本研究的主要內(nèi)容是開發(fā)了一種新型的低溫CMOS集成電路,用于量子計(jì)算中的量子位狀態(tài)讀取。這項(xiàng)研究的核心貢獻(xiàn)包括設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙量子位同相反射測量陣列,該陣列通過一個(gè)單一的相位鎖定環(huán)(PLL)驅(qū)動(dòng),配合高增益的簡并參數(shù)放大器(DPA),以實(shí)現(xiàn)對量子位狀態(tài)的高保真度讀取。

提出的雙量子位同相反射測量陣列和傳統(tǒng)的異相反射測量儀

圖1. 提出的雙量子位同相反射測量陣列和傳統(tǒng)的異相反射測量儀

如圖1所示,該陣列通過PLL驅(qū)動(dòng)的CML分頻器生成的快速調(diào)制的發(fā)射脈沖(fm=10~100MHz)發(fā)送到傳感器量子位對。經(jīng)過射頻反射后,高頻(HF)和低頻(LF)接收通道使用由相同TX PLL驅(qū)動(dòng)的DPA放大反射的TX脈沖。通過矢量調(diào)制(VM)仔細(xì)控制TX脈沖的幅度和相位,以實(shí)現(xiàn)參數(shù)增益。隨后通過平方律檢測器和鎖定放大器依次執(zhí)行包絡(luò)檢測和基帶噪聲濾波。所提出的單PLL架構(gòu)大大簡化了電路設(shè)計(jì)。由于頻率選擇性參數(shù)放大、快速TX調(diào)制和鎖定檢測,抑制了閃爍噪聲和互調(diào)分量。在20mK下,約瑟夫森結(jié)參數(shù)放大器(JPA)通過行波放大展示了優(yōu)越的低溫性能。然而由于行波方案中的電感器在CMOS芯片上占用了大量面積,傳統(tǒng)的低溫CMOS參數(shù)放大器(PA)采用了低Q、單一諧振槽路(Q=5~15),并且與50Ω射頻輸入源電阻性耦合,顯示出低射頻增益和高噪聲。

簡并參數(shù)放大器(DPA)的工作原理、電路圖和電磁結(jié)構(gòu)

圖2. 簡并參數(shù)放大器(DPA)的工作原理、電路圖和電磁結(jié)構(gòu)。

研究還提出了一種簡并參數(shù)放大器(DPA),如圖2所示。它通過將共模(CM)射頻輸入信號動(dòng)態(tài)耦合到差分模式(DM),未加載的高Q諧振槽路(Q=30~40)中,提供了高參數(shù)射頻增益。所提出的DPA由一對反并聯(lián)非線性傳輸線(APNLTL)組成,配備積累模式PMOS變?nèi)荻O管、電感器和50Ω負(fù)載電阻。在APNLTL的上方,如果變?nèi)荻O管的陽極看到的CM射頻輸入信號與fpump=2fRF的泵浦信號相位對齊,則會(huì)進(jìn)行參數(shù)放大。然而在APNLTL的下方,CM射頻輸入信號在相同的相位對齊下通過看到變?nèi)荻O管的陰極而被衰減。因此在fpump=2fRF CM輸入的泵浦下,通過參數(shù)放大創(chuàng)建了一個(gè)fRF的DM信號。然后APNLTL在fRF處是半波長,作為未加載的、高Q λ/2諧振器,用于高增益參數(shù)放大,因?yàn)镈M信號在APNLTL的兩端短路。

接下來DM信號從APNLTL中心耦合出來,以CM到DM的轉(zhuǎn)換,并由退化的NMOS對緩沖進(jìn)一步放大,以提高CM抑制。同時(shí)上述動(dòng)態(tài)模式耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有效的輸入到輸出隔離和由于CM到DM模式隔離而減少的反向泄漏。CM,行波射頻輸入信號在fRF和fpump處被50Ω負(fù)載吸收,用于阻抗匹配,在動(dòng)態(tài)模式耦合下保持不變。由于DM槽路的有效Q提高到30~40,DPA不僅提供了更高的射頻增益(>20dB),而且還執(zhí)行了頻率選擇性濾波以減少輸入干擾。

 DPA的噪聲模型

圖3. DPA的噪聲模型,帶有數(shù)字延時(shí)線(DDL)的快速調(diào)制CML分頻器,芯片照片,以及4.2K測量設(shè)置

此外,研究還介紹了在低溫環(huán)境下對芯片進(jìn)行的測試,包括電容-電壓(C-V)特性測試和噪聲溫度的測量,這些測試結(jié)果驗(yàn)證了所提出電路設(shè)計(jì)的有效性和優(yōu)越的低溫性能。通過與傳統(tǒng)的異相反射測量方案相比,所提出的方案在直流功耗、帶寬、增益和量子位讀取方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。

本研究中使用的澤攸科技低溫探針臺(tái)主要用于在低溫環(huán)境下測試和測量芯片的性能。這個(gè)設(shè)備允許研究人員在接近量子計(jì)算機(jī)操作溫度的條件下,對芯片進(jìn)行準(zhǔn)確的電容-電壓(C-V)特性測試。通過這種測試,研究人員能夠評估變?nèi)荻O管在不同溫度下,特別是從室溫298K降低到低溫10K時(shí),電容的可調(diào)性和品質(zhì)因數(shù)的變化。這樣的測試對于驗(yàn)證和優(yōu)化超導(dǎo)量子位的讀出和控制電子設(shè)備在實(shí)際量子計(jì)算應(yīng)用中的性能至關(guān)重要。澤攸科技低溫探針臺(tái)的使用確保了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,因?yàn)樗峁┝吮匾牡蜏丨h(huán)境和準(zhǔn)確的測量能力,這對于評估和改進(jìn)量子計(jì)算系統(tǒng)中使用的CMOS集成電路的性能是不可或缺的。

以上就是澤攸科技小編分享的澤攸科技低溫探針臺(tái)在量子計(jì)算芯片測試中的應(yīng)用。更多產(chǎn)品及價(jià)格請咨詢15756003283(微信同號)

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作者:澤攸科技


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