超导和半导体等量子系统需要在极低温环境下运行，这是限制量子计算机进一步扩展和商业化的主要障碍。由于传统电子设备无法在如此低的温度下运行，研究人员使用笨重的电缆来控制量子计算机，如下图谷歌 Sycamore量子计算机所示。这最终限制了其可扩展性。
近日，由英国国家创新机构 Innovate UK资助的CryoCMOS 联盟宣布，创建了可在 -269°C 和 -193°C（4K 和 77K）低温下运行的晶体管模型。这意味着，对于需要在稀释制冷机的超低温环境下才能工作的超导量子系统、半导量子系统等，提供了一条更具可扩展性的道路。
01. 低温与量子计算
量子计算机对其周围环境高度敏感。由于量子比特的微妙性质，即使与外部因素（如热或电磁辐射）发生最轻微的相互作用，也会导致退相干或量子信息丢失。通过将量子比特保存在低温环境中，科学家可以减少热噪声，从而实现更长的相干时间和更准确的计算。除此之外，某些类型的量子比特特别依赖于低温。例如，超导量子比特、自旋量子比特等技术需要极低的温度才能达到他们所需的工作条件。同样，因其固有的纠错特性而大有前途的拓扑量子比特，通常依赖于具有特定特性的材料，这些特性在低温下更容易实现。
02. 低温下的传统半导体
量子电子设备通常采用传统（非量子）电子设备作为控制电路，这些电子设备无法在如此低的温度下运行。具体来说，这些低温会显著影响经典半导体的阈值电压。
大多数半导体器件的额定工作温度范围为 -40°C 至 +125°C（233K 至 398K）。当它们在这个范围之外工作时，阈值电压开始改变。对于低于-40°C的温度，阈值电压显著增加，需要更大的电压、更高的功耗、更低的速度和不可靠的性能。
正因为如此，传统的控制电子设备在室温下存储在量子架构中，与量子比特物理分离。这种物理分离的关键是连接两者需要昂贵且笨重的电缆，除了固有的延迟影响之外，所有量子数量所需的电缆数量是 QC 扩展的基本障碍。如果量子计算要发挥其潜力，那么增加量子比特的数量是一大关键途径。一个最佳的解决方案是将控制电子设备与稀释制冷机中的量子比特放在一起。
03. 晶体管模型在低温下运行
为了克服这个问题，CryoCMOS 联盟建造了在低温下运行的新型晶体管模型。
该项目的目的是了解和模拟低温下晶体管行为的变化，生成一套重新表征的晶体管模型，然后使用这些模型设计 CryoCMOS IP 产品组合，以促进开发能够在低温下直接连接到稀释制冷机内的量子芯片。新晶体管以 GlobalFoundries 22nm FDSOI 工艺节点 (22FDX) 为模型，可通过反向偏置控制器件阈值电压。这一新进展主要由 SureCore 领导，SureCore 是一家以其CryoIP 技术而闻名的公司。
CryoIP 是一个 IP 库，可实现量子计算所需电子设备的低温运行。得益于 22FDX 节点和 CryoIP 的这种增强控制，研究人员对在低至 4K 和 77K 的温度下保持适当性能的晶体管进行了建模。
基于这些重新定位的低温晶体管模型，sureCore 正在利用其低功耗设计专业知识开发一套功耗优化的基础 IP，包括标准单元、SRAM、ROM 和寄存器文件。低功耗是量子计算空间的关键设计标准，因为功耗会转化为不受欢迎的加热效果，从而给稀释制冷机带来额外的冷却负担。
CryoCMOS 联盟的SemiWise 首席执行官 Asen Asenov 教授表示：“标准 CMOS 通常的性能参数在 -40°C 至 +125°C 。因此，将标准 CMOS 降至 4K 或 -270°C 是进入新领域的重要一步，晶体管的工作特性将发生显著变化。”
04. 展望未来
据报道，该项目预计在三年内取得成果。届时，这不仅是传统晶体管的重大变革，更是量子领域令人振奋的新动向。借助低温控制电子设备，量子计算系统的量子比特数量将得到进一步扩展，将为实现大规模量子计算机铺平道路。期待，3年后的今天。
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