Fully integrated cryogenic electronic readout for spin-based qubits

Developing fault-tolerant quantum computers operating at deep cryogenic temperatures necessitates auxiliary cryogenic electronics to control and readout qubits. Indeed, the proximity between classical and quantum hardware reduces wiring complexity to room temperature instruments, minimizes heat load, and mitigates parasitic capacitances. Currently, classical electronics operate at room temperature, occupying entire rooms. The future of this solid-state quantum computer technology hinges on developing cryogenic electronics platforms, offering benefits like enhanced qubit integration and improved reading speed and resolution. To address the limited cooling capacity of refrigerators, we have designed a power-efficient, fully integrated CMOS readout system tailored explicitly for semiconductor spin qubits. This readout system employs direct spin-to-digital conversion, integrating spin-dependent currents from single-electron transistors and precise comparators to provide 1-bit digital outputs corresponding to the qubit states. The cryogenic comparator uses floating-gate transistors, ensuring low power consumption, compactness, and self-calibration. Remarkably, this readout system can resolve minute variations in sensing currents down to 250 pA with sub-microsecond temporal precision and a fidelity of 99.86%. Moreover, it operates within a tiny footprint (less than 0.04 mm2) and consumes 1.2 mW of power. Compared to conventional RFreflectometry readout techniques, it eliminates the need for offchip components and microwave signal handling, offering a more compact and reliable readout solution.

Lo sviluppo di computer quantistici che operano a temperature criogeniche richiede elettronica criogenica ausiliaria per controllare e leggere i qubit. In effetti, la vicinanza tra l’hardware classico e quello quantistico riduce la complessità del cablaggio degli strumenti posti a temperatura ambiente, minimizza il carico termico e mitiga le capacità parassite. Attualmente l’elettronica classica funziona a temperatura ambiente, occupando intere stanze. Il futuro di questa tecnologia quantistica a stato solido dipende dallo sviluppo di piattaforme elettroniche criogeniche, che offrono vantaggi come una migliore integrazione dei qubit e una migliore velocità di lettura e risoluzione. Per far fronte alla limitata capacità di raffreddamento dei frigoriferi, abbiamo progettato un sistema di lettura CMOS completamente integrato e ad alta efficienza energetica, progettato appositamente per gli spin qubit a semiconduttore. Questo sistema di lettura implementa una conversione diretta da spin a segnale digitale, integrando correnti dipendenti dallo spin provenienti da transistor a singolo elettrone e comparatori precisi per fornire uscite digitali a 1 bit corrispondente allo stato del qubit. Il comparatore criogenico utilizza transistor a gate flottante, garantendo basso consumo energetico, compattezza, e autocalibrazione. Questo sistema di lettura è in grado di risolvere variazioni minime di corrente fino a 250 pA con precisione temporale inferiore al microsecondo e una precisione del 99,86%. Inoltre, funziona con un ingombro minimo (meno di 0,04 mm2) e consuma 1,2 mW di potenza. Rispetto alle tradizionali tecniche di lettura della riflettometria RF, elimina la necessità di componenti off-chip e di gestione del segnale a microonde, offrendo una soluzione di lettura più compatta e affidabile.