量子计算机和CMOS半导体:回顾和未来的预测

随着量子计算,需要外围容错逻辑控制电路达到了新的高度。在经典计算中,信息是一个单位“1”或“0”。在量子计算机中,单元的信息是一个量子位可以描述为一个“0”,“1”,或两者的叠加值(称为“叠加状态”)。

经典计算机的控制电路是基于CMOS(半导体),由于其高性能和低功耗。“1”和“0”的古典电脑可以操作,存储,容易阅读使用CMOS芯片在室温下操作。今天大多数量子计算机在低温下操作,以确保量子位仍然是一致的(处于叠加状态)尽可能长时间。相干时间通常很短(纳秒到毫秒)在量子计算机中,促使需要控制电路能够进行高速、容错操作。这个需求可以满足常规CMOS控制电路是否可以在低温下操作。

第一次尝试描述半导体材料在低温下是由A.K. Jonscher在他1964年的《IEEE出版,题为“在低温下半导体”[1]。他的两个基本结论:1)半导体器件没有主要的低温应用程序在那个时间点上由于“没有真正的技术理由大规模这些极端温度”,和2)“半导体材料在低温下的性能是如此明显不同于熟悉的属性在更高的温度,这是合理的期望更多的设备应用程序出现的结果继续这个方向的研究和开发工作”。几年后,IBM感兴趣低温半导体器件操作[2 - 3]和得出结论,MOSFET在低温下制备半导体器件显示改进的性能。低温操作的优点,缩小规模的冷却装置在使用是从汤姆斯控制电路仍然是一个障碍。

进入量子力学。1959年,理查德·费曼挑战科学界采用量子力学的信息处理系统的设计。他设想新信息系统和功能,包括量子化的能级,和/或量化“旋转”的交互(角动量量子粒子)。实现他的愿景在1980年代,表明量子力学时,能源方程可以代表一个通用图灵(计算)机[4]。1994年,结果表明,量子计算机可能因素整数数字比经典计算机更快(在多项式时间内)[5]。这一发现是催化剂,促进持续构建量子计算系统的兴趣。今天继续在众多的商业感兴趣、研究和学术组织。

即使有了强烈的兴趣建立量子计算机,事实上,成功操作的这种类型的电脑目前需要低温环境温度。量子逻辑控制电路还需要在低温下操作在这样的环境下有效工作。因此,我们看到了一个复苏的兴趣低温温度cmos电路的性能。

量子计算机不需要先进的CMOS电路,但互补金属氧化物半导体设备在低温和房间的温度下操作不同。CMOS晶体管性能(和相关的电流-电压性能)最近以40和160 nm散装CMOS设备,在室温和4.2开尔文(参见图1)。在低温下驱动电流增加,由于增加了硅在这些温度的流动性。不幸的是,其他影响,如衬底定额出局可以限制在这些低温驱动电流的增加。

图1所示。测量电流-电压特性的nMOS晶体管组装在160海里(左)和40 nm(右)CMOS。室温操作虚线所示曲线,液氦操作是坚实的曲线所示,和Spice-compatible模型拟合实验数据所示虚线。(来自[6])

量子计算机控制电路是目前在室温下操作。正如前面提到的,这可能是一个问题由于阅读量子位的“状态”的敏感性更高的温度。这一挑战可以部分缓解操作CMOS电路在低温下,在相同的低温冰柜量子计算机。这种集成可以减少延迟和增加整个系统的可伸缩性。尽管一些二阶问题,CMOS晶体管在低温下可以执行各种功能需要使用量子计算机。这些功能包括能够执行I / V转换器,低通滤波器、A / D和D / A转换器(参见图2)。

图2所示。硅旋转量子位集中在虚线圈,控制和读出信号(M, P, R, T, Q)的插图所示。量子点接触和推论电路的简化示意图所示。电压源作为一个数模转换器实现在室温下。(来自[6])

实现所需的量子计算机系统的容错性能,新一代的deep-submicron CMOS电路将在deep-cryogenic要求操作温度[6]。推断这个想法合乎逻辑的结论,最终与量子集成电路(QIC)量子比特阵列的集成在同一芯片所需的CMOS电子阅读量子位的状态。这种集成显然会最终目标实现可伸缩的、可靠和高效的量子计算。

在未来的应用中,光通信的量子位也可能是必要的。在这种情况下,集成CMOS电路还需要包括微nano-optical结构,如光导和干涉仪。这些类型的光学功能已经成功演示了在室温互补金属氧化物半导体设备。在低温下展示这种级别的光学通信功能也可能是可取的未来量子计算的应用程序。

引用
1)。a . k . Jonscher半导体在低温下,IEEE学报》,1964年版。
2)。r·w·凯斯,et al .,“低温的角色操作的逻辑电路,“Proc, IEEE 58卷,第1932 - 1914页,1970年。
3)。p.h. Gaensslen et al .,“很小的MOSFET的低温操作,“IEEE反式。电子设备,ED-24卷,第229 - 218页,1877年。
4)。p .贝尼奥夫”,计算机物理系统:微观量子力学的哈密顿模型计算机由图灵机,”j . Stat。物理。,22卷,不。5,563 - 591年,1980页。
5)。p·肖,“量子计算算法:离散对数和保理,“Proc, 35为基础。计算机协会。发现。第一版。科学。,类似CA, 1994年,页124 - 134。
6)。e .炭疽,et al .,“Cryo-CMOS量子计算,”2016 IEDM, 343 - 346页。