面向囚禁铍离子量子计算机的低温BiCMOS控制器芯片：实现高保真度量子门操作的系统级集成解决方案

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A Cryo-BiCMOS Controller for Quantum Computers based on Trapped Beryllium Ions

本文报道了一种用于囚禁铍离子量子计算机的低温BiCMOS系统级芯片(SoC)，该芯片支持0.7-1.6 GHz微波信号生成，覆盖9Be+量子计算实现中的所有微波跃迁。研究人员通过集成48-kbit波形存储器和单边带混频架构，在4K环境下实现了高达94%的SPAM校正前振荡幅度和172 kHz的拉比振荡速率。该芯片将每量子比特功耗降至21.5 mW，与室温系统相比实现两个数量级的功耗降低和七个数量级的体积缩减，为可扩展囚禁离子平台奠定了基础。

　　

在量子计算迅猛发展的今天，囚禁离子(Trapped Ions, TIs)平台因其长相干时间和高操作保真度而备受关注。然而，传统基于激光的量子比特控制方法面临光学系统复杂、聚焦精度受限等 scalability 瓶颈。虽然微波控制技术可替代激光方案，但现有商用微波发生器存在体积庞大、功耗高等问题，严重制约了量子处理器单元(Quantum Processor Unit, QPU)的集成规模。为解决这一关键问题，由Peter Toth领衔的国际研究团队在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》上报道了一种创新性的低温BiCMOS系统级芯片，为实现可扩展的囚禁离子量子计算机提供了硬件基础。

研究团队采用0.13-μm SiGe BiCMOS工艺，设计了三通道微波任意波形发生器SoC。该芯片核心创新在于单边带(Single-Sideband, SSB)混频架构，通过将 coarse 频率生成与精细数字频率合成相结合，有效避免了 forbidden frequencies (FFs) 的频谱干扰。系统集成48-kbit SRAM用于存储优化波形，支持1 MS/s更新率的任意包络调制，为高保真度两量子比特门操作提供了关键技术支持。

关键技术方法包括：1) 基于CORDIC算法的直接数字合成器(Direct Digital Synthesis, DDS)实现毫弧度级相位分辨率；2) 吉尔伯特混频器与有源带通滤波器构成的SSB混频架构；3) 分段式电阻阶梯数模转换器(DAC)实现包络调制；4) 采用双发射极双集电极HBT结构的功率放大器；5) 低温适应性设计通过偏置调节补偿HBT工作点漂移。实验验证使用4个⁹Be⁺离子量子比特系统。

Qubit State Control

通过拉比振荡测量验证量子态控制能力，结果显示SoC控制的振荡周期为6.4μs（速率167 kHz），而室温基线系统为7.8μs（速率132 kHz）。通过调节SRAM数值可实现110-172 kHz的振荡速率调谐，证明芯片具备精确的幅度控制能力。测量获得的94% SPAM校正前振荡幅度表明量子态控制的高效率。

Quality of Qubit Rotations

通过多π门序列评估量子门质量，基于线性拟合斜率计算单量子比特门误差。SoC实现的误差为2.7×10^-4（保真度99.973%），与基线系统的5.3×10^-5（保真度99.995%）处于同一量级，证明芯片支持高质量量子态操控。

Spectral Compatibility

760μs长序列拉比振荡测量验证频谱兼容性。当控制频谱满足-50 dBm forbidden frequencies抑制要求时，振荡幅度保持稳定；而故意违反频谱掩模要求（-27 dBm FF）会导致明显的幅度衰减，证实了频谱纯度对长时间量子操作的重要性。

该研究首次实现了从零开始设计的囚禁离子量子计算机控制系统，并完成了量子比特态操控演示。芯片在4-300K温度范围内正常工作，支持单量子比特门和两量子比特门操作。与现有技术相比，在保持性能相当的同时，实现了每量子比特21.5 mW的功耗和1.67 mm3的体积，为未来百万物理量子比特系统奠定了基础。研究还展示了通过模块化PCB组装实现QPU与控制器的共集成，为大规模量子计算系统的低温电子学集成提供了可行方案。

这项工作标志着囚禁离子量子计算向全集成电子控制迈出了关键一步，通过将微波控制器与量子处理器在低温环境中共集成，有效解决了系统扩展性的核心瓶颈。未来研究方向包括将SoC完全嵌入实验序列控制器以实现所有微波跃迁驱动，以及演示微运动边带寻址和两量子比特门操作，进一步推动可扩展量子计算平台的发展。