NV色心伊辛系统及伊辛求解方法与流程

本发明创造涉及量子计算，特别是涉及一种nv色心伊辛系统及伊辛求解方法。

背景技术：

1、目前，在量子计算与组合优化领域中，基于金刚石氮-空位（nv）色心的伊辛求解技术因其室温运行潜力和固态集成特性而受到关注。然而，相关技术中的nv色心伊辛系统多以实验室散装光学平台原型为主，缺乏标准化的整机集成方案，导致系统体积庞大且难以部署。更为关键的是，在实现测量反馈模式的伊辛求解时，光学读出、数据处理与微波操控各环节通常依赖上位机软件调度，累积的通信与处理延迟极易超过nv色心的自旋退相干时间，导致量子态信息丢失与求解失败。现有nv色心系统缺乏芯片级紧凑集成架构与硬件级低延迟反馈链路，导致系统集成度低、反馈延迟远大于退相干时间，难以实现有效的自旋态操控与高保真求解。

2、针对相关技术中的nv色心伊辛系统缺乏整机集成结构、反馈延迟过高导致退相干的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本发明创造实施例提供的一种nv色心伊辛系统及伊辛求解方法，至少解决相关技术中的nv色心伊辛系统缺乏整机集成结构、反馈延迟过高导致退相干的问题。

2、根据本发明创造实施例的第一方面，提供了一种nv色心伊辛系统，包括：金刚石复合芯片模块、光学读出模块、微波操控模块和实时计算反馈模块；

3、所述金刚石复合芯片模块包括金刚石衬底以及集成于所述金刚石衬底的nv色心阵列和微波天线层，所述微波天线层用于向所述nv色心阵列施加微波场；

4、所述光学读出模块配置为对所述nv色心阵列进行光学泵浦初始化，并采集所述nv色心阵列的荧光读出信号；

5、所述实时计算反馈模块分别与所述光学读出模块、所述微波操控模块通信连接，所述实时计算反馈模块配置为基于所述荧光读出信号执行并行矩阵运算以生成反馈控制信号，并将所述反馈控制信号传输至所述微波操控模块；

6、所述微波操控模块配置为基于所述反馈控制信号，通过所述微波天线层向所述nv色心阵列施加反馈微波脉冲。

7、在一些实施例中，所述金刚石衬底的表面设置有金刚石薄膜层，所述nv色心阵列分布设置于所述金刚石薄膜层内，所述微波天线层设置于所述金刚石薄膜层的表面。

8、在一些实施例中， 所述金刚石复合芯片模块还包括封装基板，所述封装基板设置有直流焊盘，所述金刚石衬底封装于所述封装基板上，所述微波天线层通过引线键合方式与所述直流焊盘连接。

9、在一些实施例中，所述光学读出模块、所述实时计算反馈模块和所述微波操控模块之间设置有硬件时序触发逻辑，所述硬件时序触发逻辑包括：

10、所述光学读出模块在完成对所述荧光读出信号的采集后，输出读出结束触发信号至所述实时计算反馈模块；

11、所述实时计算反馈模块响应于所述读出结束触发信号启动并行矩阵运算，并在运算完成后输出计算结束触发信号至所述微波操控模块；

12、所述微波操控模块响应于所述计算结束触发信号，生成反馈微波脉冲并通过所述微波天线层施加于所述nv色心阵列。

13、在一些实施例中，所述实时计算反馈模块包括现场可编程逻辑门阵列，所述微波操控模块包括任意波形发生器，所述现场可编程逻辑门阵列与所述任意波形发生器之间通过高速串行总线连接；

14、所述现场可编程逻辑门阵列配置为通过硬件描述语言执行并行矩阵运算生成反馈控制信号，并将所述反馈控制信号通过所述高速串行总线传输至所述任意波形发生器，所述任意波形发生器配置为根据所述反馈控制信号生成具有预设脉冲形状的反馈微波脉冲。

15、在一些实施例中，所述nv色心伊辛系统还包括热管理模块，所述热管理模块包括真空腔体和闭循环制冷机，所述金刚石复合芯片模块设置于所述真空腔体内；

16、所述闭循环制冷机配置为对所述真空腔体的温度进行控制，以使所述金刚石复合芯片模块在第一温度模式与第二温度模式之间切换；其中，所述金刚石复合芯片模块处于所述第一温度模式时的运行温度大于处于所述第二温度模式时的运行温度。

17、在一些实施例中，所述金刚石复合芯片模块处于所述第一温度模式时的运行温度为室温，所述金刚石复合芯片模块处于所述第二温度模式时的运行温度为4k。

18、在一些实施例中，所述金刚石复合芯片模块处于所述第一温度模式时，所述光学读出模块和所述微波操控模块配置为对第一预设数量的nv色心进行操控，以补偿所述第一温度模式下的自旋退相干；

19、所述金刚石复合芯片模块处于所述第二温度模式时，所述光学读出模块和所述微波操控模块配置为对第二预设数量的nv色心进行操控，以利用所述第二温度模式下延长的自旋相干时间执行多次量子态操作；

20、其中，所述第一预设数量大于所述第二预设数量。

21、在一些实施例中，所述光学读出模块包括：

22、泵浦激光光源，配置为发射预设波长的泵浦激光，以对所述nv色心阵列进行光学泵浦初始化；

23、光路组件，配置为将所述泵浦激光聚焦至所述nv色心阵列，并收集所述nv色心阵列在所述泵浦激光的作用下产生的荧光信号；

24、带通滤波组件，配置为从收集的所述荧光信号中滤除所述泵浦激光的散射光，提取荧光读出信号；

25、光电探测组件，配置为将所述荧光读出信号转换为电信号并输出至所述实时计算反馈模块。

26、在一些实施例中，所述nv色心伊辛系统还包括耦合模式控制模块，所述耦合模式控制模块配置为控制所述nv色心阵列在直接耦合模式、腔介导耦合模式和测量反馈耦合模式之间进行切换。

27、根据本发明创造实施例的第二方面，提供了一种基于上述nv色心伊辛系统的伊辛求解方法，该方法包括：

28、在单次迭代周期内执行以下步骤：

29、对所述nv色心阵列施加光学泵浦脉冲，以将所述nv色心阵列的自旋态初始化；

30、采集所述nv色心阵列在微波操控后的荧光读出信号；

31、基于所述荧光读出信号执行并行矩阵运算，以确定等效外场反馈参数；

32、基于所述等效外场反馈参数生成反馈微波脉冲，并施加至所述nv色心阵列，以驱动所述nv色心阵列中的nv色心进行自旋态演化。

33、本发明创造实施例提供的nv色心伊辛系统及伊辛求解方法，通过将nv色心阵列和微波天线集成于金刚石衬底，从物理底层缩减了系统尺度并提升了微波耦合效率；通过构建光学读出模块、实时计算模块与微波操控之间的硬件时序触发逻辑，将全链路反馈延迟压缩至远小于自旋退相干时间的范围，从根本上解决了测量反馈模式下的退相干瓶颈；通过集成闭循环制冷与真空腔体的双模式热管理架构，并结合差异化的自旋编码策略，实现了同一硬件平台在室温演示与极低温高精度测试间的无缝切换；通过多耦合模式控制模块，支持直接、腔介导及测量反馈等多种拓扑的物理切换，显著提升了系统的通用性与科研价值。综上，本技术实现了nv色心伊辛求解系统的小型化、标准化与高保真运行，为量子计算硬件从实验室原型走向实用化整机提供了有效的技术路径。