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数千到数百万个敏感信号需要通过稀释制冷机的所有温度阶段进行传输，以操作由许多量子位组成的未来大规模量子处理器。导热同轴电缆数量的激增将超出制冷机的冷却能力，对量子核心造成不利影响。将控制电子设备降至低温允许使用现有的超导电缆，减轻低温阶段之间的热传导，并且似乎是实现操作量子位数可扩展性的明确途径。这项博士论文旨在探索在低温下将工业 CMOS 28nm 全耗尽绝缘体上硅 (FD-SOI) 技术用于量子计算应用。我们的第一个目标是将有关低温下 FD-SOI 28nm 晶体管的稀疏现有知识扩展到电路设计的实际方面，然后用于开发紧凑模型。为了加快对具有长达一小时的固有冷却周期的单个器件的表征，我们设计了一个集成电路，该集成电路多路复用了数千个具有不同几何形状和栅极堆栈类型的晶体管，用于低频测量电流-电压特性和从 300 到 0.1K 的配对分析。我们讨论并分析了不同温度下电路设计中重要量的变化趋势，例如跨导、电导和单个晶体管的跨导与漏极电流比。其次，我们探索了半导体量子器件与经典电子器件的低温共积分和全片上集成，旨在实现低至毫开尔文范围的特定测量。我们首先通过设计和表征低功耗跨阻放大器 (TIA) 来关注量子点器件的亚纳安电流测量。高增益放大器成功应用于测量单量子点和双量子点器件的电流，这些器件分别通过引线键合几毫米或片上集成几微米。为了进一步利用集成到同一基板的优势，我们将 GHz 范围的压控振荡器连接到双点的其中一个栅极，以尝试观察完全集成设备中的离散电荷泵。最后，我们提出了一种新的测量方案，利用低温电子学功能作为众所周知的反射测量法的替代方案，解决了单个量子器件栅极电容的测量问题。通过在 200 MHz 范围内集成电压控制电流激励和电压感应放大器，两者都靠近连接到 LC 槽的量子器件，器件电容变化的读出电路变成纯集总元件系统，具有谐振电路的阻抗测量，而没有任何像反射法中那样的波传播。这种方法增加了测量装置的简单性和紧凑性。我们甚至用由晶体管和电容器组成的有源电感器取代了反射法中使用的笨重无源电感器，在相同电感下面积降低了 3 个数量级，从而提供了更好的可扩展性。由此产生的电路成功测量了 4.2K 下纳米晶体管的 aF 电容变化，揭示了栅极电容中随栅极和背栅极电压而变化的振荡量子效应。在这篇论文的最后，给出了一幅与电路架构和设计相关的挑战的图景，最终目标是进入大规模量子处理时代。
用于量子工程的低温电子学
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