低温 CMOS 控制电路

低温 CMOS 控制电路,意思是把普通的硅控制芯片,也就是跑你手机的那套 CMOS 技术,重新设计成能在冰冷制冷机里、贴着量子比特、在 4 开尔文甚至更低的温度下工作。动机非常实在:如今一块量子芯片往往每个量子比特就要好几根同轴线,从室温机柜一路通到毫开尔文的核心区;到了几百个量子比特,这束线就缠成谁也没法布置、没法冷却、也付不起的乱麻。如果生成和读取脉冲的电子电路就放在冷端、靠得很近,一块芯片就能服务许多量子比特,那一大丛常温线缆便能大幅减少。

实际上这些是定制集成电路,在商业代工厂的工艺里制造,但要针对低温条件做表征和调校,因为晶体管在低温下的行为和室温不同。它们承担量子比特附近那些密集、重复的活儿:把一条线复用去寻址多个量子比特、产生或选通微波脉冲、把读出信号数字化,这样往上爬回常温世界的就只需几根细细的数字线,而不是几百根模拟同轴线。把这一层放在冷级,也让信号路径更短,并屏蔽掉来自室温的热噪声。

诚实地说,难点是热。稀释制冷机最冷的那一级只能带走极小的一点功率,在量子比特那层往往远低于一毫瓦;而即便一块不大的控制芯片,耗散也可能远超于此,所以低温 CMOS 通常放在较温暖的 4 开尔文级,而不是紧贴量子比特。设计者要在能跑多少电路与制冷机能吞下多少热之间不停权衡。这条路确实有前景,已有若干团队做出能用的控制器,但仍处早期,还没有哪种设计证明自己能在制冷预算之内控制一块大型处理器。