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近日，南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院副研究員彭亞濤在超低溫集成電路領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“A Cryogenic SiGe BiCMOS Hybrid Class B/C Mode-Switching VCO Achieving 201dBc/Hz Figure-of-Merit and 4.2GHz Frequency Tuning Range”為題，發(fā)表在有“芯片奧林匹克”之稱的集成電路設(shè)計領(lǐng)域最高級別會議 IEEE International Solid-State Circuit Conference (ISSCC) 2022上。

隨著社會經(jīng)濟(jì)對信息處理需求的不斷提高，以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的經(jīng)典計算機(jī)難以應(yīng)對日益增加的計算能力需求。量子計算機(jī)利用微觀粒子疊加和糾纏等物理特性，以量子比特(qubit)為基本計算單元，具有經(jīng)典計算無法比擬的超強(qiáng)信息攜帶和并行處理能力，在物理化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究、新型材料研發(fā)、醫(yī)藥合成、人工智能、信息安全等眾多領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。

一個量子計算機(jī)硬件分層系統(tǒng)包含量子處理器、量子測控電路、經(jīng)典處理器（見圖1）。 量子測控電路實(shí)現(xiàn)了對量子處理器層的控制、讀取、 監(jiān)測、系統(tǒng)同步等功能?，F(xiàn)行主流的量子測控系統(tǒng)工作在常溫環(huán)境, 通過同軸線實(shí)現(xiàn)量子器件與常溫測控電路或者儀表的信號互連，受限于稀釋制冷機(jī)的空間和制冷功率，這種方式可以測控的量子比特數(shù)目十分有限。超低溫(Bi)CMOS (即Cryo-(Bi)CMOS) 集成電路技術(shù)能夠有效解決大規(guī)模量子器件/量子比特的控制和讀取問題，是實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)的必由之路。

圖1 常溫和超低溫量子測控系統(tǒng)

本研究對超低溫量子測控系統(tǒng)中的低噪聲信號源開展工作，旨在解決超低溫環(huán)境下CMOS器件的flicker noise大幅惡化（10~20 dB）而引起的信號源相位噪聲性能不佳、調(diào)諧范圍受限的問題。研究人員提出了Class B/C混合模式切換技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用到超低溫壓控振蕩器（VCO）的設(shè)計中。一方面，模式切換拓展了頻率調(diào)諧范圍，同頻耦合的VCO單元能夠帶來3dB的相位噪聲優(yōu)化。另一方面，Class B /Class C VCO的混合耦合模式能克服Class C VCO的啟動問題，繞開了自啟動電路，從而降低了電路功耗。同時，該研究創(chuàng)造性地將SiGe HBT器件引入到超低溫VCO的設(shè)計中，有效規(guī)避了flicker noise超低溫惡化的影響。

圖2 混合模式切換超低溫壓控振蕩器原理圖和工作模式

圖2 展示了研究人員提出的VCO的核心電路原理圖和模式切換方法。電路包含了兩個振蕩器單元，分別偏置在Class B和Class C模式, 振蕩器單元由共模開關(guān)SW1~SW4（由PMOS晶體管實(shí)現(xiàn)）實(shí)現(xiàn)耦合。Class C VCO具有更低的相位噪聲和功耗，但在靜態(tài)下存在啟動難問題。在提出的結(jié)構(gòu)中，Class B VCO開啟振蕩后能夠激勵Class C VCO, 從而保證了VCO的正常工作。由于開啟的開關(guān)在共模信號間，因此不會引入插入損耗而降低相位噪聲。通過兩個弱耦合的LC-tank，構(gòu)建可調(diào)雙模諧振器，配置SW1~SW4能無耗抑制一個諧振模式，從而實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)諧，獲得倍增的 VCO頻率調(diào)諧范圍。研究通過對超低溫（4 Kelvin）下的器件建模和分析，設(shè)計了合適的偏置電路和電路參數(shù)，確保了振蕩器在超低溫下運(yùn)行正常。

芯片通過130nm SiGe BiCMOS工藝進(jìn)行了流片驗(yàn)證和超低溫電子學(xué)性能測試（圖3）。測試結(jié)果顯示VCO能夠在超低溫下正常工作，調(diào)諧范圍覆蓋13.9~18.1 GHz, 功耗約3 mW, 相位噪聲在-119~-113dBc/Hz~1 MHz offset頻率, 最佳綜合指導(dǎo)達(dá)到了201 dBc/Hz。對比基于MOS器件的超低溫振蕩器，本芯片在超低溫下沒有出現(xiàn)明顯的flicker noise區(qū)域相位噪聲惡化的現(xiàn)象。芯片測試性能滿足量子測控超低溫信號源的性能指標(biāo)要求。

本論文所闡述的設(shè)計，為超低溫信號源、超低溫SiGe HBT芯片的研發(fā)提供了參考，給出了拓展VCO的頻率調(diào)諧范圍、克服C類振蕩器啟動、降低VCO相位噪聲的新思路。

圖3 芯片顯微照片、測試PCB以及相位噪聲測試曲線

該研究為南科大量子科學(xué)與工程研究院與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院教授Edoardo Charbon團(tuán)隊的合作研究成果之一，彭亞濤為第一作者和唯一通訊作者，南科大為論文第一單位。

論文鏈接: https://ieeexplore.ieee.org/document/9731542

供稿：量子科學(xué)與工程研究院

通訊員：張越

主圖：丘妍

編輯：朱增光

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