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低温 CMOS 电路技术映射
摘要 — 低温 CMOS 电路因其在量子计算、磁共振成像、粒子探测器和太空任务等领域的潜在应用而备受关注。这些电路在低于 77 K 直至接近绝对零度的温度下工作，由于深低温下可用的冷却功率有限，因此面临严格的功率限制。虽然低温操作可以大幅减少漏电流并提高晶体管效率，但优化低温 CMOS 电路以在冷却限制内最小化静态和动态功耗至关重要。在本文中，我们提出了一种低温感知技术映射方法来优化低温 CMOS 电路的功率特性。所提出的方法以技术独立的逻辑网络和低温标准单元库作为输入，并生成技术映射的门级网表，从而显着降低功耗。通过考虑低温下的静态和动态功率限制，与最先进的低温非感知算法相比，该方法可实现高达 26.89% 的平均功耗降低。这种优化使得基于大规模标准单元的数字电路能够在关键应用中的低温下高效运行。
低温离子陷阱系统，用于附近的高保真性
捕获的离子是建造通用量子处理器的有前途的候选者，具有单量量[1]和两分（2-5]门，具有量子误差校正所需的保真度[6，7]。通常使用电动 - 二极孔 - 弗尔登过渡实现，在该过渡中，状态寿命足够长，可以通过自发排放来忽略不可忽略，从而导致几分钟[8-10]或更长的时间[11]。 量子转换通常位于在电肢体转变[12]上工作的光学结构域，或在同一歧管内的超细状态之间的微波域中[13]。 尽管超细量子位位于微波域中，但通常使用刺激的拉曼过渡与紧密聚焦的激光束进行操纵，因为短的光波长可以使单Qubit Soperion [14]和离子自由度和运动自由度之间的有效耦合[15]。 利用刺激的拉曼过渡的激光驱动的操作从根本上遭受了光子散射引起的不忠行动[16-18]。 此外，刺激的拉曼操作对大规模量子处理器的缩放是具有挑战性的，因为需要控制许多高强度激光束并与sub-µm精度对齐。 微波辐射可直接驱动超精细或采率量子[15]。 但是，由于微波辐射的自由空间波长远大于激光光的空间，因此自由空间空间选择性和微波辐射的自旋运动偶联是不切实际的。 有，在该过渡中，状态寿命足够长，可以通过自发排放来忽略不可忽略，从而导致几分钟[8-10]或更长的时间[11]。量子转换通常位于在电肢体转变[12]上工作的光学结构域，或在同一歧管内的超细状态之间的微波域中[13]。尽管超细量子位位于微波域中，但通常使用刺激的拉曼过渡与紧密聚焦的激光束进行操纵，因为短的光波长可以使单Qubit Soperion [14]和离子自由度和运动自由度之间的有效耦合[15]。利用刺激的拉曼过渡的激光驱动的操作从根本上遭受了光子散射引起的不忠行动[16-18]。此外，刺激的拉曼操作对大规模量子处理器的缩放是具有挑战性的，因为需要控制许多高强度激光束并与sub-µm精度对齐。微波辐射可直接驱动超精细或采率量子[15]。但是，由于微波辐射的自由空间波长远大于激光光的空间，因此自由空间空间选择性和微波辐射的自旋运动偶联是不切实际的。有如果一个人能够在微波场中设计出较大的空间梯度，则可以增加几个数量级的空间选择性[19]和自旋运动耦合。实现有效微波场梯度的一种方法是将远场微波与强，静态磁场梯度相结合[20-22]。然而，此方法需要辐射原子涂层技术[23 - 25]才能最大程度地减少反应性，因为量子状态状态需要对磁场敏感。另一种解决方案是将离子定位在微波电流导体的近场状态下[15，26，27]；在这里，场梯度取决于导体和导体几何形状的距离，而不是微波的自由空间波长。除了这些方法外，最近还使用射频场梯度振荡近距离接近离子的运动频率[28]，最近还证明了一种新型的自旋运动耦合。微波技术比激光技术更成熟，并且用于许多日常设备，例如移动电话。它的成本低于激光系统，并且也更容易控制。微波电路也可以直接整合到离子陷阱结构中，这有助于促进基于芯片的离子陷阱的产生，这些陷阱可缩放到量子“ CCD样”设备中[15，29 - 32]。
高能物理的低温电子开发
为了研究物质和宇宙的基本性质，高能量物理（HEP）实验通常在极端条件下运行，这些条件远远超出了综合电路的标准工作范围。这种极端环境的两个突出例子是在高发光山脉山相处经历的辐照水平以及在低温温度下的操作[1]。低温电子是一个广义的术语，该术语包括以低于标准工作极限（军事级电子设备的-55°C）运行的电路，一直至Millikelvin，如超导电电路而言。低温回路具有悠久的历史[2]，并且在广泛的应用中发现了应用，例如红外局灶平面阵列，PET，量子科学。虽然CMOS电路在深度低温温度（<4.2K）下可靠地操作，但本文侧重于液氮（77K）的应用，并概述了有关大型HEP经验家的高温CMOS CMOS ICS的设计考虑因素，好处和独特的挑战。
低温氢氧推进系统（排骨）...
在这份白皮书中，我们研究了一种新型的行星科学任务推进系统：一种低温氢氧推进系统（REAPS）。尽管排骨比其他化学推进系统的低温火箭发动机具有相当大的优势，但由于长期在低温推进剂的空间存储中面临的挑战，大部分都将其用于任务的发射阶段。我们表明，被动低温储存技术的新发展可以解决此问题，现在使排骨适合空间推进。排骨发动机比传统的高光发动机具有重要的特定脉冲（I SP）优势，从而减少了发射的大量行星科学航天器。排骨还提供了比传统高光发动机的其他优势，这些优势对于行星科学任务尤其重要，尤其是天体生物学兴趣场所的着陆器。这些包括“清洁”燃烧的排气，类似于仅产生水的燃料电池；可登陆的登陆；使用推进剂发电的可能性比仅使用主电池的任务允许更长的寿命任务。以及将燃料用作辐射屏蔽的可能性。我们建议对地面测试中的行星应用评估低温氢氧推进系统，包括已在MSFC，GSFC和其他地方开发的系统，从而进行了行星应用。
在低温温度下运行的紧凑型惯性纳米置剂
纳米置位在诸如扫描探针显微镜和光学等应用中起着非常重要的作用。我们报告了紧凑的惯性纳米置剂的开发，以及完全计算机的接口电子设备，其运行量低至2 K，并且在我们的全自动针 - Anvil类型点触点触点Andreeve Reflection（PCAR）设备中使用。我们还使用与家用电子设备的Labview接口介绍了完全自动化的操作程序。点接触光谱探针已成功用于在低温下对元素超导体进行PCAR测量。我们的纳米灵敏剂的小占地面积使其非常适合在低温扫描探针显微镜中掺入，并使该设计多功能用于各种研究和工业目的。
在低温温度下片上片上超高Q语音谐振器
长寿高频声子对于从光学机械到新兴量子系统的应用都是有价值的。对于科学和技术影响，我们寻求高性能振荡器，这些振荡器为芯片尺度整合提供了途径。共聚焦散装声波谐振器已显示出在低温温度下在结晶介质中支持长寿命的声子模式的巨大潜力。到目前为止，这些设备已经具有CM尺寸的宏观尺寸。但是，当我们将这些振荡器推向高频时，我们有机会从根本上减少足迹，作为经典和新兴的量子技术的基础。在本文中，我们介绍了新颖的设计原理和简单的微加工技术，以创建高性能的碎屑尺度共聚焦散装声波的声波，以各种晶体材料。We tailor the acoustic modes of such resonators to efficiently couple to light, permitting us to perform a non-invasive laser- basedphononspectroscopy.Usingthistechnique,wedemonstrateanacoustic Q -factor of 2.8 × 10 7 (6.5 × 10 6 ) for chip-scale resonators operating at 12.7 GHz (37.8 GHz) in crystalline z - 在低温温度下切开石英（x -Cut硅）。©2018作者。所有文章内容（除非另有说明，否则都将根据创意共享归因（cc by）许可（http://creativecommons.org/licenses/4.0/）获得许可。https://doi.org/10.1063/1.5026798
不高温罐的通风口填充的数值建模
本文使用广义流体系统仿真程序（GFSSP）（通用流网络代码）提出了一个多节点有限体积模型的冷冻和填充。在马歇尔太空飞行中心进行了通风冷却（VCNVF）测试，在那里进行了一个飞行箱中的坦克，并从供应罐中装满了液氮。在VCNVF测试中，在通风阀打开时，储罐部分冷却。部分冷却后，关闭了排气阀，储罐被填充而没有任何通风。开发了测试设置的集成数值模型。该模型包括来自供应罐的传输线，带喷嘴和实心壁的目标储罐，以及带通风阀的排放线。将储罐离散为多个流体节点和分支，以表示ullage和液氮以及多个固体淋巴结，以表示储罐壁和结构。根据池沸腾相关性计算固体到流体之间的热传递，这些相关性包括膜，过渡和成核沸腾，以及沸腾前和沸腾后的自然对流。与液体喷雾接触时，该模型还解释了油箱中蒸气的冷凝。将储罐中预测的压力，驻留质量，壁和ullage温度与测试数据进行了比较。
在低温温度下电磁设备中的热噪声
摘要超导量子计算机所基于的量子位（Qubits）的能量尺度与具有GHz频率的光子相对应。Gigahertz结构域中光子的能量太低，无法通过嘈杂的室温环境传输，在这些环境中，信号会在热噪声中丢失。光学光子具有更高的能量，并且可以使用高度有效的单光子检测器来检测信号。从微波炉转移到光学频率是量子设备的潜在启用技术。但是，在这样的设备中，光泵可以是热噪声的来源，从而降低了实现。输入微波状态与输出光学状态的相似性。为了研究这种效果的幅度，我们基于基于硝酸锂低语图库模式谐振器的电透射器的亚kelvin热行为进行了建模。我们发现，连续泵有最佳的功率水平，而泵的脉冲操作增加了转换的确定性。
CMOS在深度低温温度下芯片上的温度计
准确的片上温度传感对于现代互补金属 - 氧化物 - 氧化通道（CMOS）集成电路（ICS）的最佳性能至关重要，可以在操作过程中理解和监测芯片周围局部加热。量子计算机的发展激发了对在深度低温温度下运行的IC的极大兴趣（通常为0.01 - 4 K），其中硅和氧化硅的疗法电导率降低以及有限的冷却功率预算使局部片上温度的温度变得更加重要。在这里，我们报告了CMOS工业制造工艺本质的片上温度测量方法的四种不同方法。这些包括二级和初级温度法和覆盖在室温下使用的常规温度计结构，以及利用在低温温度下出现的现象（例如超导性和COULOMB封锁）。我们将方法标记为温度的函数，并用它们来测量片上加热元件产生的局部过度温度。我们的结果证明了可以轻松地集成在CMOS芯片中的温度计方法，从Millikelvin范围到室温。