A Cryogenic Superconducting Quantum Computing Unit Interface Chipset With Phase-Detection-Based Readout and Phase-Shifter-Based Controller

doi:10.1109/jssc.2026.3695612

A Cryogenic Superconducting Quantum Computing Unit Interface Chipset With Phase-Detection-Based Readout and Phase-Shifter-Based Controller

2026-05-27

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PRE

AI

Yuanjin Zheng (Yuanjin Zheng)

H

Hanjun Jiang

DOI：10.1109/jssc.2026.3695612

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本文提出了一种适用于超导Transmon量子比特操作的3.5 K低温量子接口芯片组。该芯片组包含相位检测读出和基于相移器的极化调制控制器，具有灵活的可扩展性。采用所提出的相位检测读出方案，使用9位时间-数字转换器（TDC）基态检测器，通过检测激励信号与反射信号之间的相位差来读出量子比特状态。采用低中频N路径滤波器基接收器和多音调发射器协同设计，实现多量子比特的频分复用（FDM）色散读出。基于相移器的极化调制XY驱动器支持快速相位量子门操作和绝热门脉冲消除（DRAG）脉冲生成。Z驱动器采用静态数模转换器（DAC）阵列和10位动态DAC实现，以提高功率效率。该芯片组采用28 nm体CMOS工艺制造，芯片面积为4.6 mm²。读出接收器（RX）实现40 K噪声温度，增益为45–83 dB，带宽为1.2 GHz。读出RX的功耗比当前先进设计低32%。同时检测两个量子比特的测量总读出功率为12.2 mW，在同类集成度读出中最低。此外，控制器为1-GS/s Z驱动器实现49 dB无杂散动态范围（SFDR），为1-GS/s XY驱动器实现42 dB信噪比（SNR）。XY驱动器在主动控制下每量子比特功耗为4.3 mW。通过实际Transmon量子比特验证，读出保真度超过92.6%，接近商用仪器水平。在5.61/6.36 MHz进行的拉比实验、4.1 MHz进行的拉莫尔实验以及$9.98~{\mu }$s进行的T1实验也使用3.5 K的该芯片组成功观测到。

Keyword:

Cryogenic CMOS (Cryo-CMOS)

quantum computing (QC)

qubit control

qubit readout

transmon qubit

A Cryogenic Superconducting Quantum Computing Unit Interface Chipset With Phase-Detection-Based Readout and Phase-Shifter-Based Controller

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