Thesis defence of Giovani Britton Orozco (RMS team): Design of an FD-SOI read circuit dedicated to the field of quantum computing under Cryogenic conditions

Giovani BRITTON OROZCO - RMS team

Direction of the thesis
Philippe GALY - Thesis director - HDR engineer - STMicroelectronics Crolles
Salvador MIR - Co-thesis director - Research director - TIMA/CNRS
Estelle LAUGA-LARROZE - Co-thesis supervisor - Associate professor - Université Grenoble Alpes

Composition of the jury
Philippe GALY - Thesis director - HDR engineer - STMicroelectronics Crolles
Salvador MIR - Co-thesis director - Research director - TIMA/CNRS
Estelle LAUGA-LARROZE - Co-thesis supervisor - Associate professor - Université Grenoble Alpes
Denis FLANDRE - Rapporteur - Full professor - Université catholique de Louvain (Belgium)
Thierry TARIS - Rapporteur - Full professor - IMS Bordeaux
Florence AZAIS - Examinator - Research project manager - LIRMM, Montpellier
Philippe BENECH - Examinator - Full professor - Université Grenoble Alpes
Mikaël CASSE - Guest - Research engineer - CEA Leti, Grenoble

Title: Design of an FD-SOI read circuit dedicated to the field of quantum computing under Cryogenic conditions
Keywords: 28 nm FD-SOI,Control Qubit,Quantum Computing,Low Noise Amplifier,Cryogenic CMOS,Cryogenic Look-up Table
Abstract: As the demand on information processing increases, quantum computers are becoming a popular alternative between researchers and major information technology companies to solve complex problems inaccessible by current classical computers. Compared to traditional computers, they rely on the properties of quantum mechanics instead of the boolean logic on the algorithmic level, giving them an increased performance and applicability in otherwise inaccessible research fields. Scaling a quantum computer, however, is limited by the sensibility of its basic building block, the qubit, requiring them to operate in a cryogenic state to decrease the overall environment noise temperature. Conceiving reliable cryogenic electronic circuits is therefore crucial for devising a large scale quantum computer. Using the 28 nm Ultra-Thin Body and Buried oxide (UTBB) Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) technology of STMicroelectronics, we explored the sizing of a low-noise amplifier (LNA) and the aptness of silicon technologies to respond to the requirements for sizing a qubit readout stage. This thesis work discusses the design steps required for conceiving such low-noise amplifier, where there is limited knowledge of the properties of the transistor at cryogenic conditions and there is yet to be proposed a compact model. To respond to the need of designing cryo-CMOS control electronics, this thesis first covers a general description of the context of quantum computers and its need for optimized radio-frequency electronics systems. At the time of this research work, there was a lack of a proper design environment for sizing cryogenic amplifiers, chapter two proposes a solution based on an integration between a data base of cryogenic measurements, also known as a look-up table (LUT), with Matlab. This chapter also introduces a set of noise equations valid at any temperature that can be used for amplifier design. Chapter three focuses on the cryogenic characterization of the technology node and its integration to the LUT-environment. In chapter four, The LUT-environment is put into test by sizing a capacitive feedback LNA and by comparing its measurement results to the expected LUT-environment solution. Finally, the main goal of proposing a cryogenic design methodology is achieved in chapter five by sizing a cascode LNA entirely from cryogenic measurements and the LUT-environment. Our estimations indicate that the 28 nm FD-SOI technology has a good cryogenic performance in terms of noise and a high adaptability proved by the proposed LNA and the set of cryogenic design noise equations. Consequently, a low-noise amplifier architecture that is both power and noise adapted satisfies the requirements of a qubit readout stage, proving the suitability of silicon transistors for quantum applications. Still, more research should be focused in passive elements at cryo temperature for improving the robustness of the LUT-environment. Additionally, the proposed cascode LNA should be studied in cryogenic conditions in order to verify the premises of the LUT-environment.

Titre : Conception d’un circuit de lecture en FD-SOI dédié au domaine du calcul quantique en condition de Cryogénie
Mots-clés : Calcul Quantique,Amplificateur faible bruit,CMOS cryogénique,28 nm FD-SOI,Control Qubit,Table de correspondance Cryogénique
Résumé : Alors que la demande en traitement de l'information augmente, les ordinateurs quantiques deviennent une alternative populaire parmi les chercheurs et les grandes entreprises de technologie de l'information pour résoudre des problèmes complexes inaccessibles aux ordinateurs classiques actuels. Contrairement aux ordinateurs traditionnels, ils s'appuient sur les propriétés de la mécanique quantique au lieu de la logique booléenne au niveau algorithmique, ce qui leur confère des performances et une applicabilité accrues dans des domaines de recherche autrement inaccessibles. Cependant, l'extension d'un ordinateur quantique est limitée par la sensibilité de son bloc de construction de base, le qubit, nécessitant son fonctionnement dans un état cryogénique pour réduire le bruit de température environnementale global. Concevoir des circuits électroniques cryogéniques fiables est donc crucial pour développer un ordinateur quantique à grande échelle. En utilisant la technologie Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) à corps ultra-mince et oxyde enterré (UTBB) de 28 nm de STMicroelectronics, nous avons exploré le dimensionnement d'un amplificateur à faible bruit (LNA) et l'aptitude des technologies silicium à répondre aux exigences de dimensionnement d'une étape de lecture de qubits. Ce travail de thèse traite des étapes de conception nécessaires pour concevoir un tel amplificateur à faible bruit, où les connaissances sur les propriétés du transistor dans des conditions cryogéniques sont limitées et où il n'existe pas encore de modèle compact proposé. Pour répondre au besoin de concevoir des électroniques de contrôle cryo-CMOS, cette thèse couvre d'abord une description générale du contexte des ordinateurs quantiques et de leur besoin de systèmes électroniques radiofréquence optimisés. Au moment de ce travail de recherche, il y avait un manque d'environnement de conception approprié pour dimensionner des amplificateurs cryogéniques. Le chapitre deux propose une solution basée sur une intégration entre une base de données de mesures cryogéniques, également connue sous le nom de table de recherche (LUT), avec Matlab. Ce chapitre introduit également un ensemble d'équations de bruit valides à toute température pouvant être utilisées pour la conception d'amplificateurs. Le chapitre trois se concentre sur la caractérisation cryogénique de la technologie et son intégration dans l'environnement LUT. Au chapitre quatre, l'environnement LUT est testé par le dimensionnement d'un LNA à rétroaction capacitive et par la comparaison de ses résultats de mesure à la solution attendue de l'environnement LUT. Enfin, l'objectif principal de proposer une méthodologie de conception cryogénique est atteint au chapitre cinq par le dimensionnement d'un LNA cascode entièrement à partir de mesures cryogéniques et de l'environnement LUT. Nos estimations indiquent que la technologie FD-SOI de 28 nm présente de bonnes performances cryogéniques en termes de bruit et une grande adaptabilité prouvée par le LNA proposé et l'ensemble des équations de bruit de conception cryogénique. Par conséquent, une architecture d'amplificateur à faible bruit adaptée en termes de puissance et de bruit répond aux exigences d'une étape de lecture de qubits, prouvant l'adéquation des transistors en silicium pour les applications quantiques. Toutefois, davantage de recherches devraient se concentrer sur les éléments passifs à température cryogénique pour améliorer la robustesse de l'environnement LUT. De plus, le LNA cascode proposé devrait être étudié dans des conditions cryogéniques afin de vérifier les prémisses de l'environnement LUT.