近日，中國科大微電子學(xué)院程林教授課題組聯(lián)合澳門大學(xué)羅文基教授團隊，在超低溫量子接口基準(zhǔn)電路研究中取得重要進(jìn)展。該研究首次提出了無需修調(diào)的超低溫低功耗CMOS電壓基準(zhǔn)，能夠同時實現(xiàn)溫度和工藝的自補償。相關(guān)研究成果以“A 76.9 ppm/K Nano-Watt PVT-insensitive CMOS Voltage Reference Operating from 4 K to 300 K for Integrated Cryogenic Quantum Interface”為題在2025年固態(tài)電路領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上發(fā)表。

隨著量子計算技術(shù)的快速發(fā)展，量子處理器在量子比特質(zhì)量、可擴展性、量子糾錯、環(huán)境控制、計算精度等方面提出了更加嚴(yán)苛的要求。目前大多數(shù)量子計算機（如超導(dǎo)量子計算機）需要在接近絕對零度的環(huán)境下工作，以減少熱噪聲對量子比特的影響，因此量子計算機需要大量高保真量子位和控制接口電路，以在室溫的經(jīng)典域和低溫的量子域之間傳遞信號。

在各類接口電路模塊中，基準(zhǔn)電路至關(guān)重要。為了確保在初始測試、熱過渡和系統(tǒng)異常等工作條件下的可靠性，電壓基準(zhǔn)必須在稀釋制冷機到外界環(huán)境的溫度范圍內(nèi)（從300K到4K）保持穩(wěn)定輸出特性，這要求其對溫度波動和工藝偏差具有極低的敏感性。然而，標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件在超低溫下會表現(xiàn)出閾值電壓漂移、非線性效應(yīng)加劇、扭結(jié)效應(yīng)等問題，這使得量子接口基準(zhǔn)電路的極端低溫環(huán)境適應(yīng)性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計高魯棒性、適用于超低溫環(huán)境的量子接口基準(zhǔn)電路，將有助于解決量子計算大規(guī)模應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)難題。

圖(a) 量子接口芯片的工作環(huán)境；圖(b)溫度與工藝精度相較于前沿研究展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

為此，本研究設(shè)計了一種無需修調(diào)的超低溫低功耗CMOS電壓基準(zhǔn)量子接口電路，提出了同時實現(xiàn)溫度和工藝自補償?shù)募夹g(shù)。該基準(zhǔn)電路能在300K至4K的超寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度電壓輸出，并展現(xiàn)出優(yōu)異的魯棒性。

圖(c)芯片顯微鏡照片；圖(d)測試的兩批次共80顆未修調(diào)芯片的溫度曲線；圖(e)稀釋制冷機和自動計數(shù)系統(tǒng)的測量環(huán)境。

該設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 180nm工藝，共測試了兩個批次的80枚芯片（圖（c））。測試結(jié)果如圖(d)所示，僅需單次模型校準(zhǔn)，即可實現(xiàn)跨批次免修調(diào)操作，基準(zhǔn)的平均溫度系數(shù)（TC）為76.9 ppm/K，并且電壓波動僅為0.72%，具有很高的溫度與工藝精度。在300K到4K工作范圍內(nèi)僅消耗195-304 nW功耗，輸出電壓的均值為1.045 V。該電壓基準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實現(xiàn)了納瓦級的超低功耗，并且對工藝、電壓和溫度變化（PVT）具有出色的穩(wěn)定性。它能夠以較低的成本被集成到量子接口電路以及用于超低溫環(huán)境下的宇航探測等芯片中，為這些超低溫應(yīng)用提供了可靠的解決方案。

該論文第一作者為我校微電子學(xué)院特任副研究員王晶，程林教授為通訊作者。本項研究得到了國家自然科學(xué)基金課題的資助，也得到了中國科大物理學(xué)院和中國科大信息科學(xué)實驗中心的設(shè)備支持。