面向大规模量子计算的低温III-V族与铌基电子器件硅基集成技术

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引言
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量子计算的发展面临着与早期经典计算类似的可扩展性挑战。当前的量子计算机在特定任务中展现出优越的计算能力，但要实现包含数百万到数十亿量子比特的大规模系统，需要创新性的解决方案。本文探讨了III-V族和铌基电子器件在硅基上的集成方案，这是发展可扩展量子计算平台的重要技术方向[1]。
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量子计算架构的演进

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5 t. \- J1 F  }图1展示了量子计算系统的演进过程，从传统的室温电子器件配置到集成方案，包括T形栅极III-V族异质结构和硅基铌互连的横截面视图。
$ B7 s& c  H; _# G
, a6 n- y' h9 F" y4 P目前的量子计算系统通常在极低温度下运行量子比特，同时使用室温下的经典微波电子器件进行控制和读取。这种通过长同轴电缆连接的配置适用于小规模系统，但在扩展到数千或数百万量子比特时会遇到实际困难，主要包括输入输出问题和长电缆引起的信号损耗。
8 t3 O9 N0 l( c( y; a" xIII-V族异质结构设计与优化
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, P" s5 P6 X4 p9 k

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6 g- Z0 `3 T. {- G* a3 \7 E) g5 r图2说明了III-V族异质结构设计，包括能带图、不同势垒厚度及其在低温下对电阻特性的影响。

4 i# M! t( P) {3 P3 L2 N$ IIII-V族异质结构的设计对实现低温下的最佳器件性能起着关键作用。结构包含以下精心设计的层次：
具有硅δ掺杂的InAlAs/InGaAs异质结
; g  m, r$ Q: i' Z3 ^* S- D- U具有高电子迁移率的量子阱沟道
. r3 r/ G, ~6 U' t经过优化的势垒厚度，用于最小化垂直传输电阻
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8 f# C1 K; ^5 J1 T5 h势垒厚度对低温器件性能有显著影响。通过实验分析，9nm的势垒厚度显示出最佳性能：
4 F8 o& K0 q. K8 D  V+ L2 Q* U  [4K时面电阻为91 Ω sq-1
. m/ B7 H! ]2 E- _! W势垒电阻为132 Ω μm
增强的场发射特性
- c+ P. A" ]! S, ]4 M低温器件性能
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图3展示了硅基III-V族HEMT在300K和4K温度下的电学性能特性，包括转移特性、跨导和增益曲线。
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在低温下，器件展现出优异的性能指标：
- r# [3 |. Q0 g( u; y; p( m* ~单位增益截止频率(fT)：601 GHz
单位功率增益截止频率(fMAX)：593 GHz
8 J, `" D( _0 W* r0 s噪声指标因子：0.21 √(V/mm)√S-1
9 Q7 ?+ A9 x2 c& j, e$ Z+ J亚阈值摆幅：VDS = 50 mV时为35 mV dec-1
最大漏极电流：VGS为0.3 V时达到1225 mA mm-1
1 v* }, @4 W+ p. I' [! s布线策略实现
) O& x$ {% D8 }8 _8 L8 V6 d: A; ~

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3 t6 L3 k: D" n图4展示了布线线路的实现，包括直流和射频布线配置，以及其在低温下的性能特性。

布线策略包含：
III-V族二维电子气局部互连
铌超导体全局互连
: i( x) j' `+ c! h# I针对最小功耗的优化线路设计
( j8 O' `! j. n与现有硅平台的集成能力

; ]% E6 P0 K6 L3 O布线线路实现：
与传统结构相比电阻降低5倍
3 m1 S& ]* K) W8 GHz时插入损耗为5.1 dB
8 x7 V: f* t* w6 P" i9 ~; X8 GHz时隔离度为32.8 dB
每个开关功耗为60.8 nW
3 q9 H* R9 |& x+ R性能对标

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图5显示了与其他技术的性能对比，包括不同扩展场景下的功耗预测。

5 T  W0 S; k# u, b# i硅基集成的III-V族和铌基电子器件展现出：
比CMOS器件高两倍的截止频率
噪声指标因子降低15-20倍
功耗降低10倍
2 g  f& w0 o4 {! v( y6 p更适合量子计算应用的扩展性
结论
$ K: ^1 c$ C) s" x! i1 W
硅基III-V族和铌基电子器件的集成技术在解决量子计算系统可扩展性挑战方面取得了重要进展。该技术在4K温度下实现了601 GHz的单位增益截止频率和593 GHz的单位功率增益截止频率，同时保持极低的功耗水平。

该实现方案的功耗仅为传统CMOS解决方案的十分之一，使得在现有低温制冷限制下控制和读取数千个量子比特成为现实。III-V族异质结构和铌超导体在硅基上的成功集成，为与现有CMOS技术和量子计算架构的结合提供了新的技术方案。

7 z3 Y# C9 }3 g5 A' j采用III-V族二维电子气局部互连和铌全局互连的创新布线策略有效解决了垂直传输电阻的问题，提高了架构的可扩展性。这些成果为发展大规模量子计算平台奠定了基础。未来在沟道结构优化和进一步降低噪声水平方面的发展，将推动量子计算能力的进一步提升。
参考文献

[1] J. Jeong et al., "Cryogenic III-V and Nb electronics integrated on silicon for large-scale quantum computing platforms," Nature Communications, vol. 15, no. 1, Article 10809, Jan. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-55077-1.
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