近日，成都中微达信科技有限公司（以下简称“中微达信”）面向大规模量子比特阵列的高保真度量子门操控和并行快速量子态读取，推出了全新的“蜀山”系列低温CMOS量子测控芯片组。
图1 中微达信：“蜀山”系列低温CMOS量子测控芯片组
CMOS是核心竞争点
2019年，美国Google利用53-bit超导量子处理器“Sycamore”实现了超越经典计算的量子随机采样，首次展示了 “量子优越性”。2024年12月，美国Google发布了突破性的105-bit超导量子芯片“Willow”，展示了基于表面编码Surface code的量子错误纠正QEC，随着编码距离增加，保真度获得显著提升。2024年9月，美国IBM发布了迄今为止性能最佳的156-bit超导量子处理器“IBM Quantum Heron R2”，其采用的全新架构几乎消除了量子处理器最难缠的问题之一：“串扰”，使得比特错误率较上一代127-bit超导量子芯片“Eagle” 显著降低。2024年5月，美国Intel实现了对使用CMOS兼容工艺制备的硅基自旋量子比特的快速低温在片测试，发表于Nature。
因此，在当前的含噪声中尺度量子(NISQ)阶段，量子计算的基本架构已经得到实验验证，通向具有实用价值的百万比特通用量子计算机的通路已经打开。人类下一阶段迫切需要解决大规模量子比特阵列、实时量子误差纠正和远距离量子互联等核心技术问题。
图2 美国Google，IBM和Intel研制的量子比特芯片
在量子比特数量向百万比特扩展(up-scaling)的过程中，当前的室温量子测控电子学系统成为了瓶颈。室温量子测控系统作为“经典-量子”接口，为每一个量子比特提供了门脉冲偏置、微波脉冲激励和色散反射测量，以实现高保真度、大规模并行的量子态制备、逻辑量子门操控和读取。然而，工作于稀释制冷机极低温温区(~20mK)的超导/硅基量子比特需要穿越复杂的电子线路和多层制冷机冷盘，才能与室温（300K）量子测控设备相连接，这带来了严重的复杂互联、热传导、噪声、串扰和反馈延迟问题。
为取代室温测控设备，基于先进的硅基CMOS工艺制程，实现量子测控系统的芯片化集成，并工作在稀释制冷机的4K或者其他温区（例如：50K）冷盘上，成为了未来大规模量子计算的核心技术之一。
图3 常温量子测控系统（左）和低温量子测控芯片（右）原理图
近年来，美国Intel公司联合荷兰代尔夫特理工TU Delft推出了基于22nm FinFET工艺的专用低温硅基自旋量子操控芯片Horse Ridge I和复杂功能低温量子测控芯片SoC Horse Ridge II，并首次成功进行了低温芯片的量子操纵物理验证。美国Google公司联合麻省大学UMass陆续推出了多款低功耗28nm低温CMOS超导量子操控芯片，实现了双量子门操纵物理验证，操纵保真度已经达到室温测控设备水平。美国IBM公司也推出了自主研发的14nm FinFET低温超导量子操控芯片。此外，台积电TSMC已经验证了其5nm先进CMOS制程的低温性能，为下一代低温CMOS测控芯片提供支撑。
图4 美国Google, Intel和IBM研发的低温CMOS量子测控芯片
兵分三路，各显神通
作为国内量子测控领域技术领先的初创企业，中微达信近期推出了全新“蜀山”系列28nm低温CMOS量子测控芯片组，共包含三款芯片：“贡嘎”Konka超导量子比特操控芯片，“峨眉”Emei超导量子比特读取芯片和“西岭”Xiling硅基量子比特操控芯片。针对当前国内外量子芯片对于高保真度、低噪声、高灵活性和低功耗的要求，该芯片组进行了适应性设计，可以显著降低当前量子测控系统的互联复杂度、成本和漂移。其中，“西岭”Xiling芯片与电子科技大学联合研制，已经被国际固态电路会议ISSCC 2025接收，将会于2025年2月在旧金山进行现场技术展示。
（1）“贡嘎”Konka: 28nm Cryo-CMOS 超导量子比特操控芯片SoC
“贡嘎”Konka芯片基于标准28nm CMOS工艺设计，芯片面积为2mm×3mm，可工作于4K温区，片上包含两个量子操控通道以实现双量子门操纵。每个操控通道包含1个4~8GHz高保真度微波脉冲序列发生XY通道和1个高精度门脉冲偏置Z通道。
图5 “贡嘎”Konka 28nm 低温CMOS 超导量子操控芯片原理框图
“贡嘎”Konka芯片旨在解决低温量子操控芯片的两项核心挑战：
① 频分复用FDM量子门操纵的保真度：“贡嘎”Konka芯片的XY通道设计了宽带高线性度的4~8GHz微波谐波抑制变频发射机TX，以及高无失真动态范围SFDR的2Gsps, 12-bit电流舵数模转换器DAC。“贡嘎”Konka芯片在4~8GHz的射频频段和0~1GHz的中频频段内，4K实测SFDR优于45dB，实测三阶交调IMD3优于59dB，达到了同类芯片的最佳水平。“贡嘎”Konka芯片的Z通道同样采用了2Gsps, 12-bit DAC，上升沿可达0.5ns，积分电流噪声低至0.4μA@Imax=4mA。
② 为应对量子比特芯片制造误差和比特漂移所需的灵活性：“贡嘎”Konka芯片设计了灵活的双模式数字基带，其直接数字综合DDS模式可以实现本地FDM脉冲生成 和 去微分绝热门DRAG脉冲产生；其任意波形发生AWG模式可以实现从24kByte的内部存储单元SRAM的直接波形释放。其Z通道采用直流+AWG边沿修正模式，可以实现对超导同轴电缆反射和门脉冲上升沿非理想特性的数字补偿。此外，“贡嘎”Konka芯片还内嵌了深度为512的可任意预制脉冲序列堆栈，以实现复杂量子门操控，以及基于RB和XEB的量子门物理特性表征。
图6 “贡嘎”Konka 28nm 低温CMOS 超导量子操控芯片实物及封装
图7 “贡嘎”Konka低温芯片与超导量子比特的物理实验验证结果
“贡嘎”Konka芯片目前已在国内某量子计算平台上完成了与超导量子比特的联合物理实验验证，Qubit的退相干时间T1和拉比振荡Rabi测试结果图7所示。图7同时给出了其与中微达信常温量子测控仪器的实测性能对比。在4K低温环境下，采用贡嘎Konka芯片测试得到Qubit的T1为3.52μs（Qubit频率为4.934GHz），与使用中微达信常温测控仪器得到的结果相当。表 I给出了“贡嘎”Konka芯片的主要性能参数及其与其他国内外SOTA研究的对比，该芯片在系统集成度、线性度、噪声水平和数字基带灵活性上达到了国际一流水平。
（2）“峨眉”Emei：Cryo-CMOS频分复用色散量子态读取芯片SoC
“峨眉”Emei为28nm低温CMOS超导量子比特读取芯片SoC，芯片面积为2mm×3mm，可实现5.5~8 GHz频段内两个超导量子比特的并行频分复用FDM量子态读取。图8展示了峨眉”Emei的系统框图，该芯片包含1个频分复用微波脉冲激励TX通道，1个高线性度低噪声混频器前置RX通道，以及匹配的模拟基带AD/DA和片上量子态解调数字信号处理模块。
图8 “峨眉”Emei 28nm 低温CMOS超导量子读取芯片原理框图
图9 “峨眉”Emei 28nm 低温CMOS超导量子读取芯片实物及封装
为实现低噪声、高线性度的频分复用量子态并行读取，“峨眉”Emei芯片采用了创新的混频器前置(Mixer-first) RX接收前端架构。4K实测结果表明，在没有低温低噪声放大器LNA的前提下，该5.5~8GHz混频器前置RX前端的最低检测噪声温度达到19K，为当前低温CMOS读取系统芯片SoC的最佳噪声水平。混频器前置架构同样提高了接收端线性度，结合基带放大和片上500Msps, 12-bit模数转换器ADC，接收前端的整体中频带宽达到250MHz，可以支持4~8-bit FDM量子态读取。当ADC输出峰峰值电压Vpp=0.8V时，4K实测RX整体SFDR优于45dB，IMD3优于50dB。其次，“峨眉”Emei芯片内置了复杂的片上量子态解调数字信号处理算法，并内含48kByte的SRAM存储，可以实现多模式的实时FDM量子态解调，极大提高了量子验证的灵活性。最后，为实现快速读取，“峨眉”Emei芯片通过良好的时序控制，可以与“贡嘎”Konka芯片相配合，在量子门操纵末期提前对超导读取谐振器进行微波预充能，以尽快达到读取稳态，缩短ADC采样的等待时间。
图10 “峨眉”Emei低温芯片与超导量子比特的物理实验验证结果. 注：无JPA前置放大
“峨眉”Emei芯片已经完成低温特性测试表征，并在国内某量子计算平台上进行了超导量子比特读取物理实验验证。图10给出了“峨眉”Emei芯片的TX 双音FDM发射信号实测频谱和RX 色散反射信号ADC采样输出结果，以及片上解调算法得到的量子态解调星座图。“峨眉”Emei芯片首次实现了低温CMOS读取芯片对两个超导量子比特的FDM同时读取，其保真度性能符合理论预计。表 II给出了“峨眉”Emei芯片的主要参数及其与SOTA的对比，该芯片达到了当前低温CMOS读取系统芯片SoC中最好的噪声、线性度和系统集成度水平。
表 II “峨眉”Emei低温芯片主要参数及其性能比较
（3）“西岭”Xiling: Cryo-CMOS 高精度硅基量子比特操控芯片Soc
与电子科技大学联合研制的“西岭”Xiling为65nm低温CMOS 高精度硅基量子比特操控芯片，目前已经在60mK实现对硅基单电子晶体管器件的高精度操控。该工作以“Xiling: Cryo-CMOS 18-bit Dual-DAC Manipulator with 4.6μV Precision and 4.1nV/Hz0.5 Noise Co-integrated with the Single Electron Transistor at 60mK”为题，被集成电路设计领域顶会-国际固态电路会议（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC 2025) 录用，将于2025年2月在美国旧金山发表并进行现场技术展示，敬请届时关注。
图11 “西岭”Xiling 芯片被国际固态电路会议ISSCC 2025接收
综上所述，成都中微达信近期推出的全新“蜀山”系列低温量子比特测控芯片组，实现了在低温4K工况下，对量子比特进行高保真度、高灵活性的量子态操纵与读取。该技术有利于解决大量量子比特带来的稀释制冷机内部空间不足、噪声较大、信号串扰、大规模布线及反馈延迟等问题，为未来量子计算机迈向真正商用提供了有利的支撑。
