論文の概要: Design of Fully Integrated 45 nm CMOS System-on-Chip Receiver for Readout of Transmon Qubit

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2401.04228v1
• Date: Mon, 8 Jan 2024 20:37:54 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-01-10 18:37:32.154478
• Title: Design of Fully Integrated 45 nm CMOS System-on-Chip Receiver for Readout of Transmon Qubit
• Title（参考訳）: トランスモン量子ビット読み出し用45nm cmosシステムオンチップ受信器の設計
• Authors: Ahmad Salmanogli and Amine Bermak
• Abstract要約: 量子理論は、リンドブラッドマスター方程式と量子ランゲヴィン方程式を利用して、トランモン量子ビットとジョセフソンパラメトリック増幅器をオープン量子系として設計する。 前述の量子デバイスエンジニアリングは、完全に統合された45nm CMOSシステムオンチップレシーバーの設計と統合され、量子および古典的要素の微妙なタペストリーを織り込む。 少なくとも90量子ビットを読み取るための完全に統合された受信機機能は、量子コンピューティングの潜在的な応用のためにこの設計を位置づけている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.0481796917798407
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
• Abstract: This study unveils a comprehensive design strategy, intricately addressing the realization of transmon qubits, the design of Josephson parametric amplifiers, and the development of an innovative fully integrated receiver dedicated to sensing ultra-low-level quantum signals. Quantum theory takes center stage, leveraging the Lindblad master and quantum Langevin equations to design the transmon qubit and Josephson parametric amplifier as open quantum systems. The mentioned quantum devices engineering integrated with the design of a fully integrated 45 nm CMOS system-on-chip receiver, weaves together a nuanced tapestry of quantum and classical elements. On one hand, for the transmon qubit and parametric amplifier operating at 10 mK, critical quantum metrics including entanglement, Stoke projector probabilities, and parametric amplifier gain are calculated. On the other hand, the resulting receiver is a symphony of high-performance elements, featuring a wide-band low-noise amplifier with a 0.8 dB noise figure and ~37 dB gains, a sweepable 5.0 GHz sinusoidal wave generator via the voltage-controlled oscillator, and a purpose-designed mixer achieving C-band to zero-IF conversion. Intermediate frequency amplifier, with a flat gain of around 26 dB, and their low-pass filters, generate a pure sinusoidal wave at zero-IF, ready for subsequent processing at room temperature. This design achieves an impressive balance, with low power consumption (~122 mW), a noise figure of ~0.9 dB, high gain (~130 dB), a wide bandwidth of 3.6 GHz, and compact dimensions (0.54*0.4 mm^2). The fully integrated receiver capability to read out at least 90 qubits positions this design for potential applications in quantum computing. Validation through post-simulations at room temperature underscores the promising and innovative nature of this design.
• Abstract（参考訳）: 本研究は,トランスモン量子ビットの実現,ジョセフソンパラメトリック増幅器の設計,超低レベル量子信号検出専用の完全統合受信機の開発など,包括的な設計戦略を明らかにする。 量子理論は、リンドブラッドマスターと量子ランゲヴィン方程式を利用して、トランモン量子ビットとジョセフソンパラメトリック増幅器をオープン量子系として設計する。 前述の量子デバイス工学は、完全統合45nm cmosシステムオンチップ受信機の設計と統合され、量子および古典要素のニュアンスされたタペストリーを織り合わせる。 一方、10mKで作動するトランスモン量子ビットおよびパラメトリック増幅器では、絡み合い、ストークプロジェクタ確率、パラメトリック増幅ゲインを含む臨界量子メトリクスが計算される。 一方、出力される受信機は、0.8dBノイズフィギュアと37dBゲインを有する広帯域低雑音増幅器と、電圧制御発振器を介して5.0GHzの正弦波発生器と、CバンドからゼロIF変換を実現する目的設計ミキサーとを備えた高性能素子のシンフォニーである。 中間周波数増幅器は、約26dbの平坦利得と低パスフィルタを持ち、0-ifで純正弦波を生成し、室温でのその後の処理の準備ができている。 この設計は、消費電力が低く(122 mW)、ノイズフィギュアが0.9 dB、高利得が130 dB、広帯域が3.6 GHz、コンパクトディメンションが0.54*0.4 mm^2である。 少なくとも90量子ビットを読み取るための完全に統合された受信機機能は、量子コンピューティングの潜在的な応用のためにこの設計を位置づけている。 室温でのシミュレーションによる検証は、この設計の有望で革新的な性質を浮き彫りにしている。

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