近日，电子科学与工程学院毫米波技术与系统应用实验室集成物理研究组IPG在集成电路领域顶级期刊《IEEE Journal of Solid-State Circuits》（JSSC）上发表了题为“Xiling: Cryo-CMOS Manipulator Using Dual 18-bit R-2R DACs for Single-Electron Transistor at 60 mK”的研究论文[1]。电子学院2024级硕士研究生李英杰为该论文唯一第一作者，王成教授为唯一通讯作者，电子科技大学为第一完成单位。该项工作此前被集成电路顶会2025 IEEE International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）接收[2]，并于2025年2月在旧金山进行现场技术展示。2025年3月，此项工作被Nature Electronics评为Research Highlight [3]。
图1 该工作被JSSC接收，并收录于IEEE Xplore
未来构建实用的量子计算机，需要操控百万数量级的量子比特。在众多量子比特实现方案中，硅基自旋量子比特因其与先进CMOS工艺兼容而具备大规模扩张的潜力。然而，这些脆弱的量子态需要在毫开尔文级的极低温环境下才能稳定存在，并依赖高精度、极低噪声信号进行精确操控。传统的室温仪器受限于复杂的布线、严重的串扰和热泄露，其“臃肿”的架构难以满足量子系统规模扩展的操控需求。因此，将操控电路与量子器件集成于同一极低温环境内，是通往大规模量子计算的关键突破口。
图2 大规模硅基自旋量子比特阵列的高精度栅极操控
图3 基于硅基单电子晶体管SET器件的硅基比特量子态Elzerman读取
单电子晶体管（SET）作为一种极其灵敏的电荷传感器，在硅基自旋量子比特的Elzerman读取中发挥重要作用。其工作原理基于库仑阻塞效应，通过精确调控源漏及栅极电压，SET能够探测到单个电子的隧穿事件，从而将量子比特的量子态转换为可测量的电信号。此电信号非常微弱（pA级），极易被噪声淹没，因此SET的操控电路需具备高精度和极低的噪声。
针对上述挑战，研究团队基于65nm低温CMOS工艺研制出了一款基于双通道18-bit高精度DAC的硅基量子操控芯片“西岭Xiling”。为达到18-bit电压操控精度，提出了电阻非线性校准和定向元素匹配两项校准技术，成功解决了电阻在极低温下非理想特性严重恶化的问题。
图4 “西岭Xiling” 65nm低温CMOS操控芯片原理框图
图5 4K环境下实测得到的18-bit差分非线性DNL和积分非线性INL
最终，该芯片在4K低温下实测得到了18-bit电压分辨率（INL/DNL<0.8LSB）、4.6μV的超高电压精度、及4.1nV/Hz0.5的超低噪声谱密度，直流功耗仅60μW。在60mK的稀释制冷机极低温环境中，实现了与SET器件的同温区集成，并成功测试得到清晰的库仑菱形特征图，充分验证了该芯片对量子器件的精确操控能力，该成果有望推动大规模硅基量子比特阵列的低温集成操控。
图6 “西岭Xiling”芯片与SET器件实现60mK同温区集成
图7 “西岭Xiling”芯片在60mK温度下实测得到的SET库仑菱形
近年来，王成教授及其集成物理研究组IPG致力于集成电路前沿交叉学科研究，在低温硅基量子操控芯片、芯片级分子时钟和可扩展相控阵列领域取得多项突破，相关研究成果发表于集成电路领域顶级期刊JSSC/TMTT，及顶级会议ISSCC/CICC/RFIC/VLSI中。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11434877
[1] Y. Li, Y. Zhang, H. Lin and C. Wang, "Xiling: Cryo-CMOS Manipulator Using Dual 18-bit R-2R DACs for Single-Electron Transistor at 60 mK," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, doi: 10.1109/JSSC.2026.3671795.
[2] Y. Li, Y. Zhang, H. Lin and C. Wang, "13.4: Xiling: Cryo-CMOS 18-bit Dual-DAC Manipulator with 4.6μV Precision and 4.1nV/Hz0.5 Noise Co-Integrated with the Single Electron Transistor at 60mK," 2025 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, USA, 2025, pp. 242-244, doi: 10.1109/ISSCC49661.2025.10904579.
[3] Parker, M. Controlling silicon spin qubits with DACs. Nat Electron 8, 196 (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01370-w
