Riassunto analitico
I computer quantistici saranno la nuova frontiera dei supercomputer, in grado di risolvere nuovi, e sempre più complessi, problemi in tempi estremamente più brevi rispetto ai supercomputer attuali. Infatti, grazie a due importanti proprietà della meccanica quantistica (sovrapposizione ed entanglement) nuovi algoritmi, detti quantum algorithm, sono in grado di risolvere tali problemi con velocità esponenziali e possono essere utilizzati in vari campi della computazione come: ricerca scientifica, business, intelligenza artificiale e crittografia.
Attualmente, allo stato dell'arte, il processore quantistico viene inserito all'interno di un criostato a temperature estreme vicino lo zero assoluto, e i qubit vengono comandati dall'esterno tramite strumentazione a radiofrequenza da laboratorio. Questa configurazione però, seppur funzionante, è limitata dal cablaggio esterno tra la strumentazione e il chip all'interno del criostato, consentendo il controllo di pochissimi qubit (<20). Dunque, per poter aumentare il numero di qubit, ma soprattutto ridurre al minimo il cablaggio, la nuova prospettiva è quella di poter portare l'elettronica di controllo il più vicino possibile al processore quantistico, ovvero integrandola al processore stesso richiedendo però che anch'essa lavori a temperature criogeniche. Questo può essere fatto grazie alla tecnologia CMOS.
Nonostante in letteratura si possano trovare numerosi studi riguardo al comportamento a temperature criogeniche di transistor a tecnologia CMOS e di soluzioni circuitali da poter utilizzare all'interno dell'ettronica di controllo, rimangono incognite le accortezze da prendere in fase di progettazione se si vuole progettare un circuito per questo tipo di applicazioni. Inoltre, questo è rallentato dal fatto che al giorno d'oggi le principali fonderie non offrono ancora sul mercato Design Kit che includano il comportamento criogenico dei componenti a tecnologia CMOS. Per questi motivi, l'elaborato ha come obiettivo quello di presentare dei modelli SPICE basati su modelli già esistenti nei principali programmi di simulazione che possano replicare il comportamento in criogenica di componenti a tecnologia CMOS sulla base di dati sperimentali presenti in letteratura. Dopodiché, tali modelli saranno utilizzati per progettare e valutare il comportamento di due importanti circuiti che compongono l'architettura di un PLL, ovvero il VCO e il Divisore di Frequenza, e analizzare il loro interfacciamento.
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Abstract
Quantum computers will be the new frontier of supercomputers, able to solve new, and more complex, problems in extremely smaller amount of time with respect current supercomputers. In fact, by exploiting two important properties of quantum mechanics, superposition and entanglement, new algorithms, called quantum algorithms, can solve such problems with nearly exponential speed-up, and can be used in various computational fields such as: scientific research, business, artificial intelligence, and encryption.
Nowadays, in the current state-of-the-art, quantum processor is placed in a cryostat at deep-cryogenic temperatures near the absolute zero, and qubits are externally controlled through radio frequency laboratory instruments. However, this configuration, although it has worked well so far, is limited by the external wiring between the instrumentation and chip inside the cryostat, allowing to control few qubits (<20). Therefore, to increment the number of controllable qubits, but especially minimize the wiring, the new perspective is to bring the control electronics near the quantum processor, integrating it with the quantum processor itself, but this require to work at cryogenic temperatures too. This can be done with the well-known CMOS technology.
Although in literature can be found numerous studies as regards transistors behavior fabricated with CMOS technology at cryogenic temperatures and circuits proposal to be implemented inside the control electronics, remain unknown how to move during the design phase if one want to design a circuit for such application. Furthermore, this is slowed by the fact that nowadays the main semiconductor foundries do not offer on the market Design Kits that can include cryogenic behavior of CMOS components. For these reasons, the dissertation target is to propose SPICE models based on already existing models implemented in the main simulation programs that can replicate the cryogenic behavior of CMOS components, based on experimental results found in literature. After that, the models are used to design and evaluate the behavior of two important circuits composing a PLL architecture, which are the VCO and Frequency Divider, and analyze the interface match.
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