量子電腦和CMOS半導體:回顧與預測

作者 : Michael Hargrove

在未來的應用中,與量子位元之間的光通訊可能也是必要的。在此情況下,整合的CMOS電路還需要包括微米和奈米光學結構。這些類型的光學功能已在室溫CMOS元件上實現,在未來的量子運算應用中可能也需要在低溫下實現同級的光通訊功能...

隨著量子運算的出現,對於週邊容錯邏輯控制電路的需求達到了新的高度。在古典運算中,資訊的單位是‘1’或‘0’;而在量子電腦中,資訊單位是一個量子位元(Qubit),可以描繪為‘0’、 ‘1’或兩個值的疊加,稱為「疊加態」(superimposed state)。

由於CMOS (半導體)的高性能和低功耗特性,傳統電腦中的控制電路都基於CMOS。傳統電腦的‘1’和‘0’可以使用在室溫下運行的CMOS晶片進行操控、儲存和輕鬆讀取。如今,大多數量子電腦都在低溫下運行,以確保量子位元盡可能長時間地保持一致(處於疊加態)。在量子電腦中,一致的時間通常非常短(奈秒到毫秒級),因此需要更多能夠執行高速、容錯操控的控制電路。如果傳統的CMOS控制電路可以在低溫下運行,就能滿足這一要求。

A.K. Jonscher 曾在《Proceedings of the IEEE》論文集中發表過題為《低溫下的半導體》(Semiconductors at Cryogenic Temperatures)一文,首次嘗試描述低溫下的半導體材料。他的兩個基本結論是:1) 由於「沒有實際的技術成因要在此極端溫度下進行大規模實驗」,因而當時的半導體元件也沒什麼重要的低溫應用;2) 「半導體材料在低溫的特性與我們熟悉的較高溫度下特性有顯著不同,因此可以合理地預期,朝此方向持續進行研究和開發,將會出現更多的元件應用」。

幾年後,IBM開始對低溫下的半導體元件操控產生興趣並得出結論:MOSFET半導體元件在低溫下表現出更高的性能。低溫運作雖有優勢,但微縮冷卻裝置仍然是使用基於半導體控制電路的障礙。

進入量子力學(quantum mechanics)領域。1959 年,Richard Feynman向科學界提出挑戰,要求在資訊處理系統的設計中使用量子力學。他設想了涉及量子化能量級和/或量子化「自旋」(量子粒子的角動量)相互作用的新資訊系統和功能。這在1980年代得到實現,當時證明了基於能量的量子力學方程式可以代表通用的圖靈(運算)機器。1994年的研究顯示,量子電腦可以比傳統電腦更快地分解整數。這一發現激發了人們對建構量子運算系統的持續興趣,直到今天在眾多商業、研究和學術組織中還持續存在。

即使人們對建構量子電腦有濃厚的興趣,但事實是,這種電腦的成功運行目前仍然需要低溫環境,量子邏輯控制電路也需要在低溫下工作才能高效運轉。因此,我們看到人們對基於CMOS電路的低溫性能重新產生了興趣。

量子電腦並不需要最先進的CMOS電路,但CMOS元件在低溫和室溫下的運行方式不同。研究人員最近分別在室溫和4.2度開爾文溫度下,在 40nm 和 160nm的bulk  CMOS元件上測量了CMOS電晶體性能(以及相關的電流-電壓[IV]特性)(如1所示)。由於在這些溫度下晶片中的遷移率增加,低溫下的驅動電流也將增加。遺憾的是,基底凍結等其他因素限制了在這些低溫下驅動電流的增加。

Fig. 1. Measured I-V characteristics of nMOS transistors fabricated in 160nm (left) and 40nm (right) CMOS. Room temperature operation is shown in the dotted curves, liquid helium operation is shown in the solid curves, and a Spice-compatible model fitted to experimental data is shown in the dashed lines. (Taken from [6])

圖1:在160nm (上)和40nm (下) CMOS中製造的nMOS電晶體測量I-V特性。點狀曲線顯示室溫運作,實線顯示液氦運作,虛線顯示擬合實驗資料的 Spice 相容模型。

量子電腦的控制電路目前在室溫下運行。如前所述,由於在較高溫度下讀取量子位元的「狀態」很敏感,這可能成為一個問題。在與量子電腦一樣的低溫冷凍櫃中,低溫或接近低溫的情況下執行CMOS電路,可以部份緩解這一挑戰。這種整合有助於降低延遲並提高整體系統的可擴展性。儘管存在一些二階問題,但低溫下的CMOS電晶體可以執行與量子電腦一起工作所需的各種功能,包括執行如I/V 轉換器、低通濾波器以及類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)的能力(如2所示)。

Fig. 2. Silicon spin qubit centered in the dotted circle, control and readout signals (M, P, R, T, and Q) are shown in the inset. Simplified schematics of the quantum point contact and corollary circuits are shown. The voltage source is implemented as a digital-to-analog converter at room temperature. (Taken from [6])

2:以虛線圓圈為中心的矽自旋量子位元、控制和讀取訊號(MPRT Q),以及量子點接觸和配套電路的簡化示意圖。電壓來源在室溫下作為DAC

為了實現容錯量子電腦系統的預期性能,需要可以在極低溫下運行的新一代深次微米CMOS電路。推演這一想法為其合乎邏輯的結果,最終得到一個量子積體電路(QIC),其中量子位元陣列與讀取量子位元狀態所需的 CMOS電子元件整合在同一晶片上。這種整合顯然是實現可擴展、可靠且高性能量子運算的終極目標。

在未來的應用中,與量子位元之間的光通訊可能也是必要的。在這種情況下,整合的CMOS電路還需要包括微米和奈米光學結構,例如光導和干涉儀。這些類型的光學功能已在室溫CMOS元件上成功實現,在未來的量子運算應用中可能也需要在低溫下實現同等級的光通訊功能。

本文原刊登於EDN China網站,Ricardo編譯

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