米乐m6官方网站（以下简称“AIST”），器件技术研究部，先进集成电路研究组，新原理器件研究组首席科学家Yuji Sarata，高级首席科学家Takahiro Mori，在4开尔文的低温下运行半导体自旋量子位的读取状态开发了小型高速电流测量电路。
巨大纠错（通用）量子计算机在读取量子位的状态时进行计算。因此，为了提高性能，需要快速准确地检测量子位的状态。这种检测称为自旋量子位的状态读出，它放置在量子位附近。电荷传感器中的当前变化。传统上，使用在室温下工作的测量装置来测量该电流，这需要测量装置和冰箱内的电荷传感器之间的长布线。因此，就存在当前读取速度慢的问题。在这项研究中，我们设计了一种新的电流测量电路，可以在冰箱内的电荷传感器附近运行，并开发了显着缩短接线的技术。通过将使用普通半导体工艺制造的电流测量电路芯片冷却至4开尔文来测试其操作，结果证实与室温下的传统测量方法相比，读出速度可提高100倍。
该技术的详细信息将于 2022 年 6 月 13 日至 17 日在美国夏威夷举行的 2022 年 IEEE VLSI 技术与电路研讨会上公布。
所开发的在极低温度下工作的电流测量电路与传统技术的比较
为了量子计算机的实际应用，需要一台集成超过100万个量子位的纠错（通用）量子计算机。这样的量子计算机在执行计算的同时纠正计算中的错误，但每次纠错都涉及读取量子位的状态，因此需要高速读出操作。特别是从执行计算到读取量子位的一系列操作，自旋弛豫时间内完成（大约几十微秒）。
目前，自旋量子位仅限于几个位，并且使用放置在室温下的测量仪器来读出它们的状态。这种方法需要从冰箱中的量子位到室温下的测量装置有很长的电线，这将量子位的读出速度限制在1毫秒左右。因此，为了将自旋弛豫时间保持在几十微秒以内，需要将速度至少提高100倍。实现这一目标的技术是门反射计的方法已经提出，但由于电路规模很大，将其集成以读出大量量子位存在许多挑战。
因此，人们对开发能够显着缩短两者之间的距离并通过使用易于集成的通用半导体工艺制造读出电路并在量子位附近的极低温度下运行来实现高速运行的技术抱有很高的期望。这就是所谓的冷冻 CMOS这是一种技术。
AIST 开发了可在高温下运行的自旋量子位 (2019 年 1 月 24 日 AIST 新闻稿）以及实现高速硅量子位的新型集成结构的提案（2021 年 8 月 5 日 AIST 结果公布），我们获得了与旨在实现硅量子计算机的器件技术相关的成果。此外，我们还致力于开发在大规模集成量子位时控制和读出量子位所需的极低温度下运行电路的集成电路设计技术，以及即使在冰箱中也能准确验证和评估电路运行的技术。
此外，AIST一直在以室温工作为前提进行各种传感器的测量集成电路的研究和开发，并通过应用通过这项研究获得的电路设计知识，我们开发了一种在低温下工作的用于量子位读出的电流测量电路。
这项研究与开发得到了文部科学省光学与量子飞跃旗舰计划 (Q-LEAP)、量子信息处理领域/基础基础研究、“使用硅量子位实现量子计算机的大规模集成电路”(JPMXS0118069228) 的支持。
读取自旋量子位状态的常见方法是将电荷传感器放置在量子位附近并测量流过电荷传感器的电流，该电流根据量子位的状态而变化（图 1(a)）。该电流变化是1纳安以下的微小电流，以往通过放置在室温下的电流表等测量装置来检测。这种方法需要在室温测量装置和冰箱内部的量子比特/电荷传感器之间使用很长的电线，这带来了运行速度慢的问题。因此，在这项研究中，我们开发了一种即使在4开尔文温度下也能工作的电流测量电路，测量低温冰箱中的电流，并通过显着缩短量子位和电荷传感器之间的布线来实现高速读出。
开发的电流测量电路由三个主电路块组成（图1（b））。首先，将积分电路测量的电流转换为电压。基于过去 AIST 在低温下对低温晶体管特性的评估闪烁噪声相关双采样最后将输出与参考电压进行比较，输出代表自旋量子位状态（自旋方向）的数字值（例如，如果自旋向上，则数字值为0；如果自旋向下，则数字值为1）。此外，在该电路中，使用模仿量子位操作的晶体管来代替量子位和电荷传感器。
图1（a）量子位状态读取操作原理（b）开发的电流测量电路框图（c）实现该电路的芯片照片
11773_11955使用室温测量装置的现有技术之间的比较这项研究表明。在可测量的电流值和测量时间之间存在权衡，通过使用开发的电流测量芯片，在恒定电流值的条件下，可以比传统方法快100倍的测量速度。
高速量子位状态读取对于实现纠错（通用）量子计算机至关重要，而新开发的用于量子位读取的电流测量电路有望作为实现未来大规模量子计算机的基础技术之一。
图2 现有技术与本研究的性能比较
（引用已发表论文中的修改后的数字）
未来，我们计划将开发的电流测量电路连接到自旋量子位/电荷传感器，并验证量子位的状态读取操作。
已出版的杂志：2022 年 IEEE VLSI 技术与电路研讨会，技术论文摘要
论文标题：用于自旋量子位读出的低温 CMOS 电流比较器，实现快速读出时间和高电流分辨率
作者：Hiroshi Fuketa、Ippei Akita、Tomohiro Ishikawa、Hanpei Koike、Takahiro Mori