自1999年起，《麻省理工科技评论》每年在全球范围内从生物医药技术、能源材料、人工智能等多个前沿学科和科技领域中遴选出35岁以下对未来科技发展产生深远影响的青年科技人才-“35岁以下科技创新35人”。2017年《麻省理工科技评论》将这份最权威的榜单落地中国，旨在以全球视野挖掘最有创新能力的科技青年领军人，并为这些青年科学家搭建一个高度国际化的舞台。
为聚集全球创新人才和资源，打造创新人才高地，中关村科学城与北京清华工业开发研究院联合《麻省理工科技评论》中国，于2023年3月30日-31日在北京·海淀中关村自主创新示范区展示中心会议中心举办全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国发布仪式。
以下是电子科技大学教授王成在全球青年科技领袖峰会的精彩演讲，由云现场整理。
我今天演讲的题目相当于前两位老师，我其实是比较技术的，这个题目叫做《迈向高饱增度大规模量子比特测量的低温CMOS集成电路》，从这个题目来讲大家可以知道我是专门做集成电路研究的。
现在在当前量子计算在大数据分解、密钥破解，最后搜索优化，模拟量子体系方面有非常广阔的前景，但是我们知道要实现具有真正实用意义的量子计算机，仍然还有相当的一段路要走。
比如说，我们以大数分解为例，我们要实现2048位RIC密钥分解，我们需要10的9次方，大概10亿个微量子比特，它们协同工作起来以200纳秒为步径工作26.7个小时，这样我们可以解除密钥。
现在咱们量子比特实现最大的一个规模是去年IBM所提出来的Osprey，大概有433个量子比特，IBM路线图在2026年大概要实现1万个到10万个来自比特的规模。我们意识到量子比特规模不仅是需要扩展，而且对量子比特进行测量和控制相应的经典硬件，它也是需要共同进步的，这是我们一个基本的出发点。
但是，目前制约量子比特测控的一个瓶颈是室温常规的量子测控系统，当然我们这里指的量子比特主要是做测外量子比特，硅基量子比特等等。比如说Google的72比特超导的量子计算机系统刺果松，它是第一个实现量子纠正的一个系统，它每个量子比特都有非常复杂的Will脉冲激励法，来测量随着脉冲偏置和数据交换等等的系统。
而且随着量子比特数量的扩张，我们对于饱增度和速度的要求会越来越高，但是我们知道制冷机是一个相率相对比较低的部件，它消耗15千瓦的室电，才能够有15个微瓦的热容，大概在10MK的样子。
因此我们在想有没有新的技术路线，可以跟上量子比特的扩张，我们在测控端跟着量子比特的扩张。当然目前来说有三个解决方案：
1、把我们的微波信号调控在光学信号上面，把光学信号通过光纤传到极低温温区，10MK温区，它的好处在于光纤那一块非常宽，而且光纤的热传导非常低。但是这里有一个非常本质的缺点，在于光信号到了MK温区以后，它需要蒸馏，蒸馏以后会有热耗散，相比而言对于常规的微波的测控而言，微波信号下去又被反射回来，直流信号是没有任何功耗的。
因此如果我们用RF-on-Fiber这种技术来做大规模量子比特测控，会严重限制量子比特工作的占控比，这是它存在的问题。
2、很有竞争优势的方案，单磁通量子SFQ，这个器件它是由2个结合，一个超导线圈所组成的，它两端的电压会随着线圈里面的磁通额发生变化，而且这个变化是来自态的，这种SFQ的器件它已经应用在现在的超导计算里面，用的非常成熟，它可以做超导逻辑电路。
但是这种电路也有相当长的一段路程一走，要实现这种完全基于单磁通量子的一个测控，我们需要把我们的常规或者是CMOS的SFQ系统运行量子比特算法，放在大概77K温区，完了我们SFQ的FPGA或者企业处理器我们在4K、3K温区做SFQ的计算和调控，把SFQ的脉冲通过中期的方法传递到10MK温区，跟量子比特进行沟通。
这里面有非常多需要解决的技术问题，比如说它的成熟度问题、存储问题、通信问题，复杂脉冲序列产生的问题，还有传输失真的问题。它最层会遇到保真度的问题，因为我们会有准离子氦，会有读曲方面的一些困难。
作为我们CMOS这个领域来讲，我们提出的方案就是用低温COMS集成电路，把常规的COMS电路用商业化的COMS技术，我们把这个技术证明它已经是可以用在极低温的，甚至在MK温区的，它是可以工作的。目前CMOS技术进步，我们发现它的物理尺寸和热矿钛是完全可控的，我们可以在一个里面容纳1000个量子比特的阵列，然后只要这1000个量子比特阵列能够达到3个9以上的保真度，我们就可以从量变到质变获得一个高保真度的逻辑量子比特，就完成一个非常重要的环节，从物理量子比特到逻辑量子比特的环节。
然后，我们在低温CMOS阵列上面，我们有脉冲发生、反射测量、偏置等等所有的技术环节，我们把它集成在一起，然后放在10MK温区，可以和下面的量子比特进行通信，这是我们的一个愿景。
当然这样的电路实现，也是一个新兴的领域，大概从2019年才开始发展起来，我们有非常多的同学关心的问题存在，第一个问题我们发现在低温下面器件的自加热会非常严重，这是因为在低温下面硅基锡板它的热传导，并不是由于分子的反射，而是在硅基基板里面它的传热通道非常少，这就使得在检测方面它的噪声、温度受到了限制。
在这方面我们最近提出来用异质结双极晶体管这么一个技术路线，来制作非常高灵感度，工作在4K或者1K温区的放大器，我们这个放大器大概是在2021年留片，目前已经形成了系列化的产品，它可以实现到4K的一个状态温度和极低的功耗，大概就是1毫瓦左右的功耗，已经交付了国内很多重要计算单位的试用，被评为了2022年中国量子的Quantum10事件。
当然除了噪声温度的问题以外，我们还发现量子测控的保真度跟量子微波的信号质量是非常相关系的。比如说这些微波信号我们是要依靠在4K温区或者压控质量器来产生的，当然它有一些特定的东西，比如说我们可以有3种频率划分的方案，或者是5种FDM的方案。
对一个测控而言，如果我们要做成一个派脉冲，操纵我们要达到一个4个9以上的保真度，我们希望我们的积分相位落差小于0.57度，这是一个非常高的相位误差要求。但是低温的CMOS器件它并不是放在低温下面会非常好，因为在低温下面CMOS器件它的界面缺陷密度会变的更高，产生和负荷的持续时间会变的更长。
因此，它会存在一个问题，低温下面的晶体管它的散热性变的非常高，这个会格罗什科夫斯基上行，使得整个低温的频率相位噪声大概会恶化10倍左右。为了应对这个问题，当然我们不仅在器件端，我们电路端其实有非常多可以做的事情。
也是2021年的时候，我们提出了一个小小的技术，我们制作了一个非常宽带、低温的噪声抑制的VCO，这个VCO它不仅在一次的阵仗频率有非常好的谐振，在二次增长频率，三次增长频率有非常高阻抗的谐振峰，这个就可以使得我们产生的二次、高次结构的电流被小化，因为电流等于电压除以电阻，这样这些高次谐波的电流注入到谐振器里面，它的能量就会被最小化，这样会实现很好的闪烁噪声抑制。
这个是我们去年流片制造的65纳米低温CMOS VOC芯片，它工作在4K的温区，这是我们当时的装置和制冷机，我们坚持我们所有的设备几乎都是全国产化的。这个VOC也是发展为我们今年集成电路领域顶会IACC上面，它达到了非常好的带宽性能，非常低的功耗，非常好的纤维噪声，达到了目前有史以来硅基CMOC市面上实现过最好的FOM，这是一个性能的指标。而且我们在低温和常温下面，我们没有任何的闪烁噪声的损失。
除了这个方面以外，我们还在关注量子态测量的一些可扩展性的问题，因为我们在一个机器里面会有1000个量子比特，我们需要同时对这1000个量子比特进行测量。因此如果我们是用常规的来测量一个系统，我们需要非常多的频率源，需要非常多的微波器件，这样的架构它不是一个可以扩展的，因此我们就提出来一个双量子比特反应测量的芯片，这个就是电路了，它具有一个单锁相环的架构，可以达到最低的功耗，我们设计了一个参数放大的放大器，可以实现一个非常好的频率选择滤波，我们可以有快速的调制和损坏检测，来实现我们的闪烁噪声和干扰的抑制。
这是我们去年流片制作，工作在4K温区的双量子比特反应测量，这是我们制作第一个低温CMOS的阵列，它可以同时实现对两个量子比特芯片量子态的一个测量。
这个芯片达到了一个非常好的带宽，而且是第一个专门为反射测量双量子比特所设计的芯片，达到了非常高的争议，当然它的噪声还有一定的提高空间，这是我们需要努力的，它达到了一个非常好的功耗性能。
低温CMOS集成电路这个领域，我个人认为低温CMOS电路和其它的技术路线，比如说超导SFQ电路也好，其实我们有非常多合作机会，我们未来的图景有可能是一个低温CMOS集成电路和超导SFQ集成电路，他们联合融合一起工作，来实现量子测控的这么一个场景。
而且单就低温CMOS集成电路本身，我们还有非常多的科学问题需要解决，比如说我们在低温器件的物理和建模方面，我们有一些传统知道的Kink效应，阈值电压问题，载流子冻结问题，迟滞问题和电阻率饱和问题，这是我们都需要对我们先进的CMOS工艺进行一个非常好的建模，理解它的物理底层机制，非常需要研究的一个领域。
第二，我们在整个电路的层面上，我们可以把很多常规电路设计的一些技术应用在整个低温电路设计里面，我们相信在整个低温电路设计里面有非常多的研究机会，也有非常多的性能提高空间。
当然在系统层上面，对于一个大规模的量子比特测控的要求，我们在高保真度和量子态判决低温的时间上同步，快速的量子能反馈和低温的长期漂移的抑制方面，都有非常多的可以研究的工作，这算是一个非常交叉领域的，又发现了一个我们集成电路领域可以跟量子计算领域服务的一个非常好的方向。
这里我们立了一个Flag，按照我们目前研究的进展，预计我们在2025年可以实现千量子比特，这个量子比特可以是超导量子比特，可以是硅基量子比特，在低温CMOS的测控阵列，这个阵列可以达到4个9以上的保真度，而且它的单通道的测控功耗小于2毫瓦，千比特的测控功耗小于2瓦，这样完全可以被一台西式制冷机所容纳的。
谢谢大家，以上是我的报告。
