近日，中国科大微电子学院程林教授课题组联合澳门大学罗文基教授团队，在超低温量子接口基准电路研究中取得重要进展。该研究首次提出了无需修调的超低温低功耗CMOS电压基准，能够同时实现温度和工艺的自补偿。相关研究成果以“A 76.9 ppm/K Nano-Watt PVT-insensitive CMOS Voltage Reference Operating from 4 K to 300 K for Integrated Cryogenic Quantum Interface”为题在2025年固态电路领域著名学术期刊Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上发表。
随着量子计算技术的快速发展，量子处理器在量子比特质量、可扩展性、量子纠错、环境控制、计算精度等方面提出了更加严苛的要求。目前大多数量子计算机（如超导量子计算机）需要在接近绝对零度的环境下工作，以减少热噪声对量子比特的影响，因此量子计算机需要大量高保真量子位和控制接口电路，以在室温的经典域和低温的量子域之间传递信号。
在各类接口电路模块中，基准电路至关重要。为了确保在初始测试、热过渡和系统异常等工作条件下的可靠性，电压基准必须在稀释制冷机到外界环境的温度范围内（从300K到4K）保持稳定输出特性，这要求其对温度波动和工艺偏差具有极低的敏感性。然而，标准CMOS器件在超低温下会表现出阈值电压漂移、非线性效应加剧、扭结效应等问题，这使得量子接口基准电路的极端低温环境适应性面临严峻挑战。因此，设计高鲁棒性、适用于超低温环境的量子接口基准电路，将有助于解决量子计算大规模应用中的关键技术难题。
图(a) 量子接口芯片的工作环境；图(b)温度与工艺精度相较于前沿研究展现出显著优势。
为此，本研究设计了一种无需修调的超低温低功耗CMOS电压基准量子接口电路，提出了同时实现温度和工艺自补偿的技术。该基准电路能在300K至4K的超宽温度范围内实现高精度电压输出，并展现出优异的鲁棒性。
图(c)芯片显微镜照片；图(d)测试的两批次共80颗未修调芯片的温度曲线；图(e)稀释制冷机和自动计数系统的测量环境。
该设计采用标准CMOS 180nm工艺，共测试了两个批次的80枚芯片（图（c））。测试结果如图(d)所示，仅需单次模型校准，即可实现跨批次免修调操作，基准的平均温度系数（TC）为76.9 ppm/K，并且电压波动仅为0.72%，具有很高的温度与工艺精度。在300K到4K工作范围内仅消耗195-304 nW功耗，输出电压的均值为1.045 V。该电压基准在标准CMOS工艺下实现了纳瓦级的超低功耗，并且对工艺、电压和温度变化（PVT）具有出色的稳定性。它能够以较低的成本被集成到量子接口电路以及用于超低温环境下的宇航探测等芯片中，为这些超低温应用提供了可靠的解决方案。
该论文第一作者为我校微电子学院特任副研究员王晶，程林教授为通讯作者。本项研究得到了国家自然科学基金课题的资助，也得到了中国科大物理学院和中国科大信息科学实验中心的设备支持。
