面向囚禁铍离子量子计算机的低温BiCMOS控制器：实现高保真度量子门操作的系统级芯片设计

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A 57.3-fps 12.8 TFLOPS/W Text-to-Motion Processor With Inter-Iteration Output Sparsity and Inter-Frame Joint Similarity

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）控制器。该研究旨在解决传统微波信号生成系统在尺寸、功耗和可扩展性方面对大规模量子计算发展的限制。研究人员设计了一款支持0.7-1.6 GHz频率范围的三通道微波任意波形发生器，集成了48-kbit波形存储器以优化两比特门保真度。该芯片在4 K环境下成功验证了对多达4个量子比特的操控，单比特门Rabi振荡速率达172 kHz，旋转质量高。此项工作实现了相比现有技术两个数量级的功耗和七个数量级的体积缩减，为囚禁离子量子计算平台的可扩展性奠定了坚实基础。

　　

在追求实现通用量子计算机的征程中，囚禁离子（Trapped-Ions, TIs）平台以其长相干时间和可在更高温度下运行的潜力而备受关注。然而，该平台传统上依赖激光技术进行量子比特寻址，面临着光学通路和聚焦精度等固有瓶颈，限制了系统的高度可扩展性。尽管已有研究证明利用微波信号操控离子量子比特的可行性，但庞大的机架式信号生成设备仍然是 scalability 道路上的主要障碍。因此，开发能够与量子处理单元（Quantum Processor Unit, QPU）紧密集成的低功耗、小型化控制电路，成为推动囚禁离子量子计算发展的关键一环。

针对这一挑战，由Peter Toth等人组成的研究团队在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》上发表论文，提出并验证了一款专为基于⁹Be⁺（铍-9离子）的囚禁离子量子计算机设计的低温BiCMOS控制器系统级芯片（SoC）。该芯片旨在替代庞大的室温控制设备，直接工作在 cryogenic 环境中，从而显著减少连接至低温环境的电学接口数量，为未来百万物理量子比特规模的系统铺平道路。

为了验证芯片功能，研究人员将其与表面电极保罗阱（一种QPU）共同集成在一个模块化的低温装置中。该芯片核心是一个三通道微波任意波形发生器。每个通道的载波生成采用单边带（Single-Sideband, SSB）混频架构，结合了一个基于坐标旋转数字计算机（CORDIC）算法的直接数字合成器（DDS）用于精细频率调谐，以及一个外部输入的粗频率源，从而灵活地覆盖⁹Be⁺的所有微波跃迁频率（0.7-1.6 GHz），并能有效抑制禁戒频率（Forbidden Frequencies, FFs）处的能量，以满足高保真度量子门操作对信号频谱纯度的苛刻要求（禁戒频率处的功率需低于-50 dBm）。

包络生成则由另一个低速DDS负责，该DDS连接着一片48-kbit（2048字×8位）的SRAM，用于存储任意波形。这种设计使得芯片能够支持复杂的幅度调制波形，这对于实现高保真度的两比特纠缠门（如Molmer-Sorensen门）至关重要，因为优化后的包络形状可以降低对门驱动机制缺陷的敏感性。包络更新速率设定为1 MSa/s，以确保相对于离子在阱中的振荡频率（MHz量级）而言，微波信号的开关是绝热变化的。

输出级采用共源共栅（Cascode）功率放大器（PA）结构，使用具有双发射极、双集电极接触的异质结双极晶体管（HBT）以优化面积效率和输出功率。其偏置点可以通过外部调整，以补偿有源器件在低温下工作点的显著漂移（例如，为维持10μA的集电极电流，在低温下需要增加47%的基极-发射极电压）。芯片采用0.13-μm SiGe BiCMOS工艺制造，并针对低温操作对数字逻辑进行了时序裕量加固。整个SoC在驱动一个计算区域（本实验中最多4个量子比特）时，总功耗为86 mW，相当于每量子比特21.5 mW，远低于传统室温控制方案。

Qubit State Control (量子比特状态控制)

研究人员通过测量Rabi振荡来评估芯片对量子比特状态的控制能力。实验表明，使用该低温BiCMOS控制器可以成功驱动单量子比特在|0?和|1?态之间相干振荡，其Rabi振荡周期为6.4 μs，对应的振荡速率为167 kHz。通过改变SRAM中存储的幅度值，可以线性调节Rabi振荡速率（从110 kHz到172 kHz），证明了芯片精确控制量子比特旋转角度的能力。在状态初始化后，通过施加共振微波脉冲（对应于跃迁B），并利用状态依赖的荧光探测进行读out，验证了芯片的基本操控功能。

Quality of Qubit Rotations (量子比特旋转质量)

为了评估量子门操作的质量，研究人员进行了一系列多次π门操作序列的测量。通过测量最终状态保真度随门数量的衰减斜率来估算单比特门的误差。尽管由于实验控制系统的限制，未能进行更长的序列测量和随机化基准测试（Randomized Benchmarking），但初步结果表明，基于该SoC的量子态操控具有高质量，其估算的单门误差为2.7×10^-4，与作为基准的室温控制系统（误差5.3×10^-5）处于相近量级，预示着芯片在精确量子态操控方面的潜力。

Spectral Compatibility (频谱兼容性)

频谱纯度是确保高保真度操作的关键。研究团队进行了长达760 μs的Rabi振荡测量，以验证在长时间序列操作中，芯片输出信号的频谱不会在禁戒频率处产生足够的能量从而导致量子态泄露到非目标能级。实验结果显示，当严格遵守频谱掩模要求（禁戒频率处功率<-50 dBm）时，长时间的Rabi振荡幅度保持稳定，未出现衰减。相反，如果人为地在某个禁戒频率（如954 MHz）引入较高的频谱能量（-27 dBm），则会观察到明显的振荡幅度衰减，这证实了严格频谱控制的重要性。与基于非线性频率倍频的室温基线系统相比，该SoC在满足频谱要求的同时，实现了可比的长时间操作性能。

综上所述，这项研究成功设计、实现并验证了一款专用于囚禁铍离子量子计算的低温集成微波控制器。该工作首次报道了针对囚禁离子平台从头开始的系统级芯片设计，并完成了实际的量子比特态操控演示。研究表明，该低温BiCMOS SoC在实现与大型室温控制系统相当性能的同时，显著降低了功耗和体积（每量子比特21.5 mW），为未来可扩展的囚禁离子量子计算系统提供了关键的硬件支持。这项成果标志着量子计算控制系统向小型化、低功耗和高度集成化迈出了重要一步，为解决大规模量子计算面临的互连和功耗挑战提供了可行的集成电路解决方案。未来的工作将包括演示单离子寻址、两比特纠缠门以及更复杂的量子算法，进一步挖掘该集成控制平台的潜力。