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CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits

光电子学 材料科学 晶体管 物理 电气工程 集成电路 逻辑门
作者
Xiao Xue,Bishnu Patra,Jeroen P. G. van Dijk,Nodar Samkharadze,Sushil Subramanian,Andrea Corna,Charles Jeon,Farhana Sheikh,Esdras Juarez-Hernandez,Brando Perez Esparza,Huzaifa Rampurawala,Brent Carlton,Surej Ravikumar,Carlos Nieva,Sungwon Kim,Hyung-Jin Lee,Amir Sammak,Giordano Scappucci,Menno Veldhorst,Fabio Sebastiano,Masoud Babaie,Stefano Pellerano,Edoardo Charbon,Lieven M. K. Vandersypen
出处
期刊:arXiv: Quantum Physics 被引量:13
标识
DOI:10.1038/s41586-021-03469-4
摘要

The most promising quantum algorithms require quantum processors hosting millions of quantum bits when targeting practical applications. A major challenge towards large-scale quantum computation is the interconnect complexity. In current solid-state qubit implementations, a major bottleneck appears between the quantum chip in a dilution refrigerator and the room temperature electronics. Advanced lithography supports the fabrication of both CMOS control electronics and qubits in silicon. When the electronics are designed to operate at cryogenic temperatures, it can ultimately be integrated with the qubits on the same die or package, overcoming the wiring bottleneck. Here we report a cryogenic CMOS control chip operating at 3K, which outputs tailored microwave bursts to drive silicon quantum bits cooled to 20mK. We first benchmark the control chip and find electrical performance consistent with 99.99% fidelity qubit operations, assuming ideal qubits. Next, we use it to coherently control actual silicon spin qubits and find that the cryogenic control chip achieves the same fidelity as commercial instruments. Furthermore, we highlight the extensive capabilities of the control chip by programming a number of benchmarking protocols as well as the Deutsch-Josza algorithm on a two-qubit quantum processor. These results open up the path towards a fully integrated, scalable silicon-based quantum computer.
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