讓電子元件在如此低溫環境下運作，能實現雜訊更低、導電性與速度更高、省電效能更佳等方面優勢， 數種商用記憶體都證實可以運作於77K低溫下、實現低延遲存取的優勢，相關研究顯示，在存取速度與容量上，可以達到室溫運作下相同解決方案的兩倍。
預期將為電子產業帶來顛覆性改變的量子運算蓄勢待發，在相關技術研發上扮演關鍵角色之一的低溫電子(Cryogenic Electronics)也開始受到關注。這裡所指的「低溫」，在物理學領域的定義是永久氣體──包括一般空氣、氧氣、氮氣、氫氣─ ─ 的沸點，即120K(-153°C)以下；實驗證明，讓電子元件在如此低溫環境下運作，能實現雜訊更低、導電性與速度更高、省電效能更佳等方面優勢，在產業界也已經有利用低溫環境實現高性能運算的成功案例。
利用技術相對成熟的液態氣體做為冷卻劑來營造低溫環境， 在1980年代有美國業者 ETA Systems打造出內含約2,000顆CMOS晶片、在液態氮溫度(77K，約-196°C)下運作的超級電腦ETA10；而在較近期，則有美國太空總署(NASA)與旗下承包商ADNET Systems於2012年共同發表，在液態氦(4.2K)溫度下運作並成功實現完整數位/類比多工器的商用低溫電子電路。
圖1 ETA Systems打造、在液態氮溫度下運作的ETA10超級電腦，目前陳列於
美國矽谷的電腦歷史博物館(Computer History Museum)
低溫電子解封半導體效能
在這裡要特別提及的是另一個同樣存在於低溫環境下的熱門技術議題超導體(Superconductor)，不同於低溫電子研究範疇聚焦於一般半導體元件在低溫運作環境下的電性，超導體研究是針對某些材料具備在臨界溫度下呈現零電阻、完全抗磁性的特點，該臨界溫度在20世紀初期的研究中指的是低於液態氦4.2K以下的極低溫度，但隨著時間推移以及新材料的發現，已經出現臨界溫度最高可達203K(約-70°C)的超導體材料。目前有所謂高溫超導體與低溫超導體材料的分類，通常以液態氮的77K做為界線；而在量子電腦系統中，低溫電子與超導體元件之間將會扮演相輔相成的角色，在本文稍後將會提及。
在傳統上，推動低溫電子技術的主要動力來自於感測應用需求，像是應用於生醫領域的高解析度低溫電子顯微鏡──又被稱為冷凍電鏡(cryo-EM)，在生物分子結構研究領域具備突破性影響──還有科學研究與航太/國防領域應用的低能隙半導體(Low-Bandgap Semiconductor)探測器。也有一些討論認為低溫電子技術可望延續已經遭遇瓶頸的摩爾定律(Moore’s Law)壽命，但這在實證上的難度相當高，畢竟與在室溫下的相同半導體元件相較，低溫電子元件需要的冷卻系統會帶來龐大成本與耗電，在優勢上實在不具說服力。
隨著將顛覆現有運算架構、在電子設計與半導體製造領域創造新典範的量子運算技術如火如荼發展，低溫電子在其中扮演的角色重要性也越來越受到關注。在低溫環境下運作的量子電腦需要由一般電子系統控制或是彼此通訊，兩種系統之間的距離與運作溫度當然是越接近越好，因此催生了各種低溫電子元件的開發。而為了支援量子運算所開發的低溫電子元件也不僅限於量子電腦系統應用，例如Rambus就為原先替Microsoft的量子電腦開發之低溫記憶體找到了可發揮優勢的其他舞台。
根據Rambus的說法，若運作於足夠低溫環境下，CMOS晶片的數據洩漏會完全停止、變成幾乎是非揮發性，其運作速度也會提高到可以趕上處理器，提升整體系統運作效率；此外低溫環境使得散熱更快，可實現更高密度的記憶體晶片堆疊，也意味著能大幅縮小伺服器尺寸、節省機架空間，如此能讓資料中心的維護更輕鬆、延長使用壽命，甚至不必建置更多資料中心就能取得更高算力。而且只需要使用成本低廉(每加侖僅數美元)的液態氮，讓資料中心環境溫度降至77K以下就能夠取得大部分上述優勢。
從77K到10K以下極低溫度
數種商用記憶體都證實可以運作於77K低溫下、實現低延遲存取的優勢，包括DRAM、增益單元嵌入式DRAM(GC-eDRAM)、自旋轉移力矩磁阻式記憶體(STT MRAM)、3D快閃記憶體等。而有相關研究顯示，運作於77K溫度的SRAM與DRAM快取記憶體架構，在存取速度與容量上，可以達到室溫運作下相同解決方案的兩倍。
韓國首爾大學(Seoul National University)研究團隊的論文指出，在77K溫度下運作的低溫處理器架構電腦能有3.4倍的效能提升，或者是在相同運算效能下達到降低37%功耗的效果。此外有中國大陸的研究論文指出，在77K溫度下運作的MRAM平均性能可提升32%、功耗則降低19%。而由美國田納西大學(The University of Tennessee)團隊發表的論文則顯示，無論是矽或者是寬能矽功率半導體元件，在低溫環境下也能運作良好。
10K之下的極低溫電子亦有被看好的應用， 像是在4.2K溫度運作、可支援天文觀測攝影機多通道讀取系統之GaAs JFET晶片；還有就是支援量子電腦應用、通常在4K(或以下)溫度運作的晶片，包括以FPGA為基礎的解決方案，低雜訊放大器、振盪器元件，以及能控制超導跨子量子位元(Superconducting Transmon Qubits)與自旋量子位元(Spin Qubits)的CMOS電路。
還有結合半導體與超導體元素的低溫電子元件，像是美國加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)團隊在2012年所發表，於4K溫度下運作的約瑟芬接面(Josephson interface)記憶體，該款快速單通量量子(RSFQ)結構晶片以台積電(TSMC)的65奈米CMOS製程打造，在1GHz速度下功耗僅12mW，適用中小型電路。後來日本橫濱大學團隊進一步改良設計，又將該RSFQ-CMOS晶片的功耗降低了54%。
結合半導體與超導體的低溫光電元件也正在開發階段，以運用於量子運算系統或是做為低溫電子與光學通訊介面；這類元件包括薄膜鈮酸鋰電-光轉換器、垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)元件、矽光子調變器。也有研究指出，混合半導體與超導體的神經網路可運用於神經型態運算(Neuromorphic Computing)；而美國麻省理工學院林肯實驗室(MIT Lincoln Laboratory)的研究人員正在開發一種超導電多晶片模組(Superconductive Multichip Module, S-MCM)技術，以支援半導體與超導體的電路整合。
低溫電子設計挑戰
雖然低溫電子元件具備各種優勢，這類元件的設計與功能最佳化， 需要進一步的特徵化(Characterization)與模型開發。在較早期就有一些研究指出，在室溫到低溫大範圍運作的MOSFET需注意會有不完全離子化(Incomplete Ionization)的問題。而從300K到4.2K的低溫CMOS電晶體建模與驗證實驗也已經有相關成果，77K到4K的低溫CMOS電晶體特徵化亦擴展到40奈米以下製程的元件。
此外也有研究發表40奈米以下元件在低於4K溫度下的特徵化結果，這些結果對於設計與模擬高性能、省電低溫電子元件，以支援量子運算等新應用具備關鍵性的影響。而實驗證明，40奈米以下CMOS元件在低溫下變異性也會增加，但傳統使用的Pelgrom與Croon模型在4.2K左右的溫度仍能有效預測元件不匹配的情況，這有助於實現可靠的低溫電子元件。
預期針對低溫CMOS元件的可靠性研究在接下來仍會是活躍的研究領域，特別是聚焦於CMOS元件在低溫運作環境下會產生的熱載子退化(Hot Carrier Degradation)以及偏壓溫度不穩定性(Bias Temperature Instability, BTI)等問題。還一個有待克服的關鍵問題是，已經完成的低溫電子特徵化模型缺乏能與晶圓代工廠製程設計套件的整合，這將是著手設計低溫電子電路的團隊有待完成的任務。