近日，成都中微達信科技有限公司（以下簡稱“中微達信”）面向大規模量子比特陣列的高保真度量子門操控和并行快速量子態讀取，推出了全新的“蜀山”系列低溫CMOS量子測控芯片組。
圖1?中微達信：“蜀山”系列低溫CMOS量子測控芯片組
CMOS是核心競爭點
2019年，美國Google利用53-bit超導量子處理器“Sycamore”實現了超越經典計算的量子隨機采樣，首次展示了 “量子優越性”。2024年12月，美國Google發布了突破性的105-bit超導量子芯片“Willow”，展示了基于表面編碼Surface code的量子錯誤糾正QEC，隨著編碼距離增加，保真度獲得顯著提升。2024年9月，美國IBM發布了迄今為止性能最佳的156-bit超導量子處理器“IBM Quantum Heron R2”，其采用的全新架構幾乎消除了量子處理器最難纏的問題之一：“串擾”，使得比特錯誤率較上一代127-bit超導量子芯片“Eagle” 顯著降低。2024年5月，美國Intel實現了對使用CMOS兼容工藝制備的硅基自旋量子比特的快速低溫在片測試，發表于Nature。
因此，在當前的含噪聲中尺度量子(NISQ)階段，量子計算的基本架構已經得到實驗驗證，通向具有實用價值的百萬比特通用量子計算機的通路已經打開。人類下一階段迫切需要解決大規模量子比特陣列、實時量子誤差糾正和遠距離量子互聯等核心技術問題。
圖2?美國Google，IBM和Intel研制的量子比特芯片
在量子比特數量向百萬比特擴展(up-scaling)的過程中，當前的室溫量子測控電子學系統成為了瓶頸。室溫量子測控系統作為“經典-量子”接口，為每一個量子比特提供了門脈沖偏置、微波脈沖激勵和色散反射測量，以實現高保真度、大規模并行的量子態制備、邏輯量子門操控和讀取。然而，工作于稀釋制冷機極低溫溫區(~20mK)的超導/硅基量子比特需要穿越復雜的電子線路和多層制冷機冷盤，才能與室溫（300K）量子測控設備相連接，這帶來了嚴重的復雜互聯、熱傳導、噪聲、串擾和反饋延遲問題。
為取代室溫測控設備，基于先進的硅基CMOS工藝制程，實現量子測控系統的芯片化集成，并工作在稀釋制冷機的4K或者其他溫區（例如：50K）冷盤上，成為了未來大規模量子計算的核心技術之一。
圖3?常溫量子測控系統（左）和低溫量子測控芯片（右）原理圖
近年來，美國Intel公司聯合荷蘭代爾夫特理工TU Delft推出了基于22nm FinFET工藝的專用低溫硅基自旋量子操控芯片Horse Ridge I和復雜功能低溫量子測控芯片SoC Horse Ridge II，并首次成功進行了低溫芯片的量子操縱物理驗證。美國Google公司聯合麻省大學UMass陸續推出了多款低功耗28nm低溫CMOS超導量子操控芯片，實現了雙量子門操縱物理驗證，操縱保真度已經達到室溫測控設備水平。美國IBM公司也推出了自主研發的14nm FinFET低溫超導量子操控芯片。此外，臺積電TSMC已經驗證了其5nm先進CMOS制程的低溫性能，為下一代低溫CMOS測控芯片提供支撐。
圖4 美國Google, Intel和IBM研發的低溫CMOS量子測控芯片
兵分三路，各顯神通
作為國內量子測控領域技術領先的初創企業，中微達信近期推出了全新“蜀山”系列28nm低溫CMOS量子測控芯片組，共包含三款芯片：“貢嘎”Konka超導量子比特操控芯片，“峨眉”Emei超導量子比特讀取芯片和“西嶺”Xiling硅基量子比特操控芯片。針對當前國內外量子芯片對于高保真度、低噪聲、高靈活性和低功耗的要求，該芯片組進行了適應性設計，可以顯著降低當前量子測控系統的互聯復雜度、成本和漂移。其中，“西嶺”Xiling芯片與電子科技大學聯合研制，已經被國際固態電路會議ISSCC 2025接收，將會于2025年2月在舊金山進行現場技術展示。
（1）“貢嘎”Konka: 28nm Cryo-CMOS 超導量子比特操控芯片SoC
“貢嘎”Konka芯片基于標準28nm CMOS工藝設計，芯片面積為2mm×3mm，可工作于4K溫區，片上包含兩個量子操控通道以實現雙量子門操縱。每個操控通道包含1個4~8GHz高保真度微波脈沖序列發生XY通道和1個高精度門脈沖偏置Z通道。
圖5 “貢嘎”Konka 28nm 低溫CMOS 超導量子操控芯片原理框圖
“貢嘎”Konka芯片旨在解決低溫量子操控芯片的兩項核心挑戰：
①?頻分復用FDM量子門操縱的保真度：“貢嘎”Konka芯片的XY通道設計了寬帶高線性度的4~8GHz微波諧波抑制變頻發射機TX，以及高無失真動態范圍SFDR的2Gsps, 12-bit電流舵數模轉換器DAC。“貢嘎”Konka芯片在4~8GHz的射頻頻段和0~1GHz的中頻頻段內，4K實測SFDR優于45dB，實測三階交調IMD3優于59dB，達到了同類芯片的最佳水平。“貢嘎”Konka芯片的Z通道同樣采用了2Gsps, 12-bit DAC，上升沿可達0.5ns，積分電流噪聲低至0.4μA@Imax=4mA。
②?為應對量子比特芯片制造誤差和比特漂移所需的靈活性：“貢嘎”Konka芯片設計了靈活的雙模式數字基帶，其直接數字綜合DDS模式可以實現本地FDM脈沖生成 和 去微分絕熱門DRAG脈沖產生；其任意波形發生AWG模式可以實現從24kByte的內部存儲單元SRAM的直接波形釋放。其Z通道采用直流+AWG邊沿修正模式，可以實現對超導同軸電纜反射和門脈沖上升沿非理想特性的數字補償。此外，“貢嘎”Konka芯片還內嵌了深度為512的可任意預制脈沖序列堆棧，以實現復雜量子門操控，以及基于RB和XEB的量子門物理特性表征。
圖6 “貢嘎”Konka 28nm 低溫CMOS 超導量子操控芯片實物及封裝
圖7 “貢嘎”Konka低溫芯片與超導量子比特的物理實驗驗證結果
“貢嘎”Konka芯片目前已在國內某量子計算平臺上完成了與超導量子比特的聯合物理實驗驗證，Qubit的退相干時間T1和拉比振蕩Rabi測試結果圖7所示。圖7同時給出了其與中微達信常溫量子測控儀器的實測性能對比。在4K低溫環境下，采用貢嘎Konka芯片測試得到Qubit的T1為3.52μs（Qubit頻率為4.934GHz），與使用中微達信常溫測控儀器得到的結果相當。表 I給出了“貢嘎”Konka芯片的主要性能參數及其與其他國內外SOTA研究的對比，該芯片在系統集成度、線性度、噪聲水平和數字基帶靈活性上達到了國際一流水平。
（2）“峨眉”Emei：Cryo-CMOS頻分復用色散量子態讀取芯片SoC
“峨眉”Emei為28nm低溫CMOS超導量子比特讀取芯片SoC，芯片面積為2mm×3mm，可實現5.5~8 GHz頻段內兩個超導量子比特的并行頻分復用FDM量子態讀取。圖8展示了峨眉”Emei的系統框圖，該芯片包含1個頻分復用微波脈沖激勵TX通道，1個高線性度低噪聲混頻器前置RX通道，以及匹配的模擬基帶AD/DA和片上量子態解調數字信號處理模塊。
圖8?“峨眉”Emei 28nm 低溫CMOS超導量子讀取芯片原理框圖
圖9 “峨眉”Emei 28nm 低溫CMOS超導量子讀取芯片實物及封裝
為實現低噪聲、高線性度的頻分復用量子態并行讀取，“峨眉”Emei芯片采用了創新的混頻器前置(Mixer-first) RX接收前端架構。4K實測結果表明，在沒有低溫低噪聲放大器LNA的前提下，該5.5~8GHz混頻器前置RX前端的最低檢測噪聲溫度達到19K，為當前低溫CMOS讀取系統芯片SoC的最佳噪聲水平。混頻器前置架構同樣提高了接收端線性度，結合基帶放大和片上500Msps, 12-bit模數轉換器ADC，接收前端的整體中頻帶寬達到250MHz，可以支持4~8-bit FDM量子態讀取。當ADC輸出峰峰值電壓Vpp=0.8V時，4K實測RX整體SFDR優于45dB，IMD3優于50dB。其次，“峨眉”Emei芯片內置了復雜的片上量子態解調數字信號處理算法，并內含48kByte的SRAM存儲，可以實現多模式的實時FDM量子態解調，極大提高了量子驗證的靈活性。最后，為實現快速讀取，“峨眉”Emei芯片通過良好的時序控制，可以與“貢嘎”Konka芯片相配合，在量子門操縱末期提前對超導讀取諧振器進行微波預充能，以盡快達到讀取穩態，縮短ADC采樣的等待時間。
圖10 “峨眉”Emei低溫芯片與超導量子比特的物理實驗驗證結果. 注：無JPA前置放大
“峨眉”Emei芯片已經完成低溫特性測試表征，并在國內某量子計算平臺上進行了超導量子比特讀取物理實驗驗證。圖10給出了“峨眉”Emei芯片的TX 雙音FDM發射信號實測頻譜和RX 色散反射信號ADC采樣輸出結果，以及片上解調算法得到的量子態解調星座圖。“峨眉”Emei芯片首次實現了低溫CMOS讀取芯片對兩個超導量子比特的FDM同時讀取，其保真度性能符合理論預計。表 II給出了“峨眉”Emei芯片的主要參數及其與SOTA的對比，該芯片達到了當前低溫CMOS讀取系統芯片SoC中最好的噪聲、線性度和系統集成度水平。
表 II?“峨眉”Emei低溫芯片主要參數及其性能比較
（3）“西嶺”Xiling: Cryo-CMOS 高精度硅基量子比特操控芯片Soc
與電子科技大學聯合研制的“西嶺”Xiling為65nm低溫CMOS 高精度硅基量子比特操控芯片，目前已經在60mK實現對硅基單電子晶體管器件的高精度操控。該工作以“Xiling: Cryo-CMOS 18-bit Dual-DAC Manipulator with 4.6μV Precision and 4.1nV/Hz0.5?Noise Co-integrated with the Single Electron Transistor at 60mK”為題，被集成電路設計領域頂會-國際固態電路會議（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC 2025)?錄用，將于2025年2月在美國舊金山發表并進行現場技術展示，敬請屆時關注。
圖11 “西嶺”Xiling 芯片被國際固態電路會議ISSCC 2025接收
綜上所述，成都中微達信近期推出的全新“蜀山”系列低溫量子比特測控芯片組，實現了在低溫4K工況下，對量子比特進行高保真度、高靈活性的量子態操縱與讀取。該技術有利于解決大量量子比特帶來的稀釋制冷機內部空間不足、噪聲較大、信號串擾、大規模布線及反饋延遲等問題，為未來量子計算機邁向真正商用提供了有利的支撐。
