中国科学技术大学与澳门大学联手开发超低温量子电压基准电路

近日，中国科学技术大学微电子学院的程林教授团队与澳门大学的罗文基教授团队联合进行的一项研究，标志着超低温量子电压基准电路的发展取得了显著进展。该研究在超低温低功耗 CMOS 电压基准的设计和实现方面具有重大创新，并已在顶级期刊《Journal of Solid-State Circuits》（JSSC）上发布相关成果。这一技术的成功开发为未来量子计算的规模化应用提供了关键支持，预示着量子信息技术的又一次突破。

量子计算及其挑战

量子计算机，尤其是超导量子计算机，一直以来在高精度量子比特的构建和控制上面临诸多挑战。为了有效减小热噪声对量子比特的干扰，量子计算机通常运行在接近绝对零度的温度。这一条件导致量子计算机需要大量高保真量子位及控制接口电路，它们负责在室温的经典计算区域与低温的量子区域之间传递信号。其中，基准电路作为核心组成部分，对于量子计算机的性能稳定至关重要。

在实际应用中，特别是在初始测试、热过渡和系统异常等极端条件下，电压基准必须在从 300K 到 4K 的极宽温度范围内保持稳定输出。这些电压基准必须对温度波动和工艺偏差具备极低的敏感性。标准的 CMOS 器件在超低温环境下常常会出现阈值电压漂移、非线性效应加剧以及扭结效应等问题，从而对量子接口基准电路的设计带来挑战。因此，研发出一种更高鲁棒性的量子接口基准电路，成为了攻克量子计算技术瓶颈的关键所在。

创新设计的实现

在这一背景下，研究团队提出了一项创新性的解决方案，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。该电路的设计支持同时实现温度及工艺的自补偿，大幅提升了电路在极端低温下的稳定性与可靠性。其工作原理基于新型的 CMOS 技术，通过一系列先进的电路设计，显著降低了对传统电压基准的依赖，同时提高了其适应超低温环境的能力。

该电压基准电路能够在 300 K 至 4 K 的超宽温度范围内实现高精度电压输出。通过搭载在标准 CMOS 180 nm 工艺下，研究团队共测试了80枚芯片，并通过单次模型校准，实现了跨批次免修调的操作。测试数据显示，该基准电路在众多性能指标中表现优异，例如其平均温度系数（TC）为 76.9 ppm/K，电压波动仅为0.72%，显示出卓越的温度与工艺精度。

应用前景

这一技术的成功实现，预示着量子计算领域将迎来新的发展机遇。这款超低温量子电压基准电路，不仅具有极低功耗（在 300 K 到 4 K 工作范围内功耗介于 195-304 nW 之间），而且其输出电压均值为1.045 V。重要的是，这种电压基准有效利用标准 CMOS 工艺实现了纳瓦级的超低功耗，同时对工艺、电压和温度变化（PVT）表现出色的稳定性，使得其在量子接口电路的集成应用中具有重要优势。该技术还可能扩展应用于宇航探测等超低温工作环境中的各种芯片，提高这些器件在苛刻条件下的应用可靠性。

未来展望

随着量子计算与超导技术的不断成熟，相关研究也必将大量涌现。此次中国科学技术大学与澳门大学的合作，展现出科研团队在解决关键技术难题方面的卓越能力，同时也为全球量子计算的研究与应用打下了坚实基础。未来，随着量子技术的持续进步，使量子计算能够在更广泛的领域中获益，将是科学家们共同努力的方向。

通过努力，该团队不仅推动了量子电路的技术创新，也在一定程度上促进了中澳两国在科学技术领域交流与合作。可以预见，未来量子计算及相关技术将为人类社会带来更多创新与变革。