一种多比特可扩展量子测控系统的制作方法

1.本发明涉及量子测控技术领域，特别涉及一种多比特可扩展量子测控系统。


背景技术：

2.近年来，为了解决经典计算机无法解决的问题，人们开始寻找新的算法和计算机体系，其中量子计算被视为最具有潜力的一条技术路线。
3.量子计算机主要由量子芯片、量子测控系统和量子软件算法构成，而其中通过量子测控系统实现量子比特的测量与控制是实现量子计算的基础。
4.以对单个量子比特的测量与控制为例，需要低噪声微波脉冲，高稳定精密电压、方波脉冲以及信号采集分析等多个功能单元来共同实现；而随着量子计算芯片的发展，能够在量子芯片上集成越来越多的量子比特，若要实现相应数量的量子比特的测控，在硬件上需要成倍地增加低噪声微波脉冲，高稳定精密电压、方波脉冲以及信号采集分析等功能单元的通道数，在性能上要保证在量子比特的量子态的有效寿命内，同时完成对全部量子比特的测量与控制，即要求不同的测控通道之间具有高同步性；此外，硬件架构设计还应当具有高可扩展性，能够方便地通过扩展测控通道，兼容量子比特数增加的应用场景。
5.中国专利zl201810639208.6公开了一种用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备。该设备基于一套高速微波基带信号收发硬件电路板，借助数字信号处理技术和量子力学原理，实现了对多量子比特的量子状态的反馈调控。本发明中设计的量子反馈调控设备有别于经典领域中所应用的反馈控制，它能够产生用于操作超导量子比特的同步微波脉冲、精确定义量子测量的次数、时间和强弱，实时解调测量信号，在fpga上部署量子反馈算法、具有极低的反馈延时和极佳的可扩展性能，从而能够精确地调控多量子比特集成的系统，且能满足在量子芯片上运行基于测量的量子纠错算法的需求。
6.如图1所示，该专利技术中实现可扩展的量子体系的反馈调控的方式实际为：在工作在小组反馈控制模式的横向小组的基础上，纵向扩展n行同样的工作组，第n行输入控制设备1的同步信号由第n-1行的测量设备0产生，逐行传递；每行(小组)中的测量设备0负责测量该小组的2*m个qubit，并根据所有2*m*n个qubit的测量结果，产生反馈信号；小组内的控制设备根据反馈信号输出基带控制信号，基带信号输入射频前端，产生调控2*m个qubit所需的2*m组微波脉冲；其中，测量设备的测量结果通过测量结果传递模块依次接力分发，小组间共享，即第n行的设备0会分别向上/下接收n-1/n 1行的测量结果，并将本小组的测量结果与接收到的结果合并，向下/上发送到n 1/n-1行，也就是说工作在组网反馈模式下的每一个测量设备，其数据输出是网络中所有测量设备得到的结果。测量设备根据所有qubit的测量结果，向其所在小组中m个控制设备发送反馈信号。虽然，采用上述技术方案具有一定的扩展性，但由于同步信号由上一行的测量设备产生，且依次在由下一行多台控制设备串联成的链路上传递，并传递至链路尾的测量设备；一旦链路中任意一个设备出现传递延迟，将影响对量子比特的操控精度，极大地降低了系统中设备同步的可靠性。
7.因此，有必要设计一种具有高可靠性且适用于大规模量子比特扩展的量子测控方
案。


技术实现要素：

8.鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目在于：提供一种具有高可靠性且适用于大规模量子比特扩展的量子测控系统。
9.为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
10.一种多比特可扩展量子测控系统，其包括：
11.若干个量子测控单元，每个所述量子测控单元被配置为能够对至少一个量子比特进行测量与操控；
12.至少一个时钟分发单元，其被配置为基于一路基准时钟信号，生成若干路与该基准时钟信号同频的时钟信号；其中，每个所述时钟分发单元生成的任一路时钟信号均可作为其它所述时钟分发单元的基准时钟信号；首个所述时钟分发单元使用的基准时钟信号由时钟信号源提供；
13.至少一个触发分发单元，其被配置为基于一路基准触发信号，生成若干路延时可调的触发信号；其中，每个所述时钟分发单元生成的任一路触发信号均可作为其它所述触发分发单元的基准触发信号；首个所述触发分发单元使用的基准触发信号由触发信号源提供；
14.其中，每个所述量子测控单元均被配置为接收至少一路所述时钟信号和至少一路所述触发信号，并通过数据传输网络与上位机通信，以获取控制指令、上传工作状态数据，以及下载调控波形数据或上传量子测量数据；每个所述触发分发单元均被配置为通过所述数据传输网络与上位机通信，以获取延时控制指令和上传工作状态数据。
15.在一些可能的实施例中，所述量子测控单元包括：电压产生设备、脉冲产生设备、微波脉冲产生设备、采集分析设备以及频率源设备；其中，所述电压产生设备、所述脉冲产生设备、所述微波脉冲产生设备、所述采集分析设备以及所述频率源设备均被配置为具有多个工作通道，并接收一路所述时钟信号和一路所述触发信号。
16.在一些可能的实施例中，所述数据传输网络包括：第一数据传输网络和第二数据传输网络；其中，
17.所述电压产生设备、所述脉冲产生设备、所述微波脉冲产生设备、所述采集分析设备以及所述频率源设备均被配置为通过所述第一数据传输网络获取设备控制指令和上传工作状态数据；所述脉冲产生设备和所述微波脉冲产生设备均被配置为通过所述第二数据传输网络下载调控波形数据，所述采集分析设备均通过所述第二数据传输网络上传量子测量数据；
18.每个所述触发分发单元均被配置为通过所述第一数据传输网络获取延时控制指令和上传工作状态数据。
19.在一些可能的实施例中，所述第一数据传输网络和所述第二数据传输网络均被配置为由网络交换机级联构成；其中，所述第一数据传输网络采用千兆网络交换机；所述第二数据传输网络采用万兆网络交换机。
20.在一些可能的实施例中，还包括至少一个电源分发单元，其被配置为提供多路电源输出，以向所述电压产生设备、所述脉冲产生设备、所述微波脉冲产生设备、所述采集分
析设备、所述频率源设备、所述时钟分发单元以及所述触发分发单元提供工作电源。
21.在一些可能的实施例中，每个所述电源分发单元均被配置为通过所述第一数据传输网络获取控制指令和上传工作状态数据。
22.在一些可能的实施例中，所述时钟分发单元包括：依次连接的第一衰减器、低噪声放大器、第二衰减器以及一分多功分器；其中，所述第一衰减器、所述第二衰减器以及所述一分多功分器的衰减系数与所述低噪声放大器的放大系数相适配，以保证输出的每一路时钟信号与所述基准时钟信号的功率一致；且所述时钟分发单元由外部时钟源提供基准时钟信号。
23.在一些可能的实施例中，所述时钟分发单元包括：耦合器、检波电路、时钟信号产生电路、第一衰减器、第二衰减器、一分二功分器、第三衰减器、低噪声放大器、第四衰减器以及一分多功分器；其中，耦合器用于接收外部时钟源提供基准时钟信号；所述检波电路用于检测所述耦合器是否接收到基准时钟信号，并在未检测到耦合器未接收到基准时钟信号时，输出一个状态信号至所述时钟信号产生电路；所述时钟信号产生电路根据所述状态信号，输出与外部时钟源提供基准时钟信号同频的时钟信号；所述耦合器输出的基准时钟信号通过第一衰减器后耦合至所述一分二功分器的第一输出端，所述时钟信号产生电路产生的时钟信号通过所述第二衰减器后耦合至所述一分二功分器的第二输出端，所述一分二功分器的输入端连接所述第三衰减器，所述第三衰减器、所述低噪声放大器、所述第四衰减器以及所述一分多功分器依次连接；其中，所述第一衰减器或所述第二衰减器、第三衰减器、第四衰减器以及所述一分多功分器的衰减系数与所述低噪声放大器的放大系数相适配。
24.在一些可能的实施例中，所述检波电路包括：检波器、运算放大器以及比较器；其中，所述检波器输出的检测信号经所述运算放大器处理后，输入至所述比较器的一端，并由所述比较器输出所述状态信号。
25.在一些可能的实施例中，所述触发分发单元包括：至少一个fpga；
26.其中，每个fpga被配置为具有一个基准触发信号输入端、多个触发信号输出端，以及形成所述基准触发信号输入端与多个所述触发信号输出端之间的可编程的延迟电路，且每个输出端上分别连接有一个受控于所述fpga的数控延迟芯片；而且，所述fpga被配置为根据上位机下发的延时控制指令，控制fpga内部对每一路触发信号的延时以及每个所述数控延迟芯片对fpga输出的触发信号的延时。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果：
28.1.本发明多比特可扩展量子测控系统中，量子测控单元、时钟分发单元和触发分发单元均可根据需要测量与控制的量子比特数量进行相应扩展，并通过数据传输网络与上位机进行通信交互，实现量子测控的相关工作；由于量子测控单元的时钟信号和触发信号由时钟分发单元和触发分发单元提供，且时钟分发单元和触发分发由于均是一路输入多路输出，能够通过级联实现大规模的扩展。因此，本发明通过单独地设置时钟分发单元和触发分发单元来为众多的量子测控单元提供时钟信号和触发信号，能够使同步性更加稳定，可提高量子测控的保真度，适用于大规模量子比特扩展的量子测控场景。
29.2.本发明多比特可扩展量子测控系统中，量子测控单元包括：电压产生设备、脉冲产生设备、微波脉冲产生设备、采集分析设备以及频率源设备；因此，通过将量子测控单元的各个功能拆分为若干分立设备，能够提高可扩展性。
30.3.本发明多比特可扩展量子测控系统中，数据传输网络分为第一数据传输网络和第二数据传输网络；而且，第一数据传输网络和第二数据传输网络均由网络交换机级联构成，同时第一数据传输网络采用千兆网络交换机，第二数据传输网络采用万兆网络交换机，并将控制指令和运行状态数据等低速数据通过第一数据传输网络传输，将调控波形下载以及测量数据上传等高速且实时性要求高的数据通过第二数据传输网络传输；因此，本发明通过拆分低速数据流和高速数据流(实时性要求高的数据)，能够提高数据传输的效率，可满足量子测控数据传输的实时性要求。
附图说明：
31.图1为本发明实施例提供的多比特可扩展量子测控系统的架构示意图；
32.图2为本发明实施例提供的四个时钟分发单元级联连接示意图；
33.图3为本发明实施例提供的四个触发分发单元级联连接示意图；
34.图4为本发明实施例提供的量子测控单元的结构示意图；
35.图5为本发明实施例提供的数据传输网络的通信交互示意图；
36.图6为本发明实施例提供的时钟分发单元的结构示意图；
37.图7为本发明实施例提供的时钟分发单元的结构示意图；
38.图8为本发明实施例提供的触发分发单元的结构示意图。
具体实施方式
39.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
40.在本发明的一个实施例中，提供如图1所示的多比特可扩展量子测控系统，其包括：
41.若干个量子测控单元，每个所述量子测控单元被配置为能够对至少一个量子比特进行测量与操控；
42.至少一个时钟分发单元，其被配置为基于一路基准时钟信号，生成若干路与该基准时钟信号同频的时钟信号；其中，每个所述时钟分发单元生成的任一路时钟信号均可作为其它所述时钟分发单元的基准时钟信号；首个所述时钟分发单元使用的基准时钟信号由时钟信号源提供；
43.至少一个触发分发单元，其被配置为基于一路基准触发信号，生成若干路延时可调的触发信号；其中，每个所述时钟分发单元生成的任一路触发信号均可作为其它所述触发分发单元的基准触发信号；首个所述触发分发单元使用的基准触发信号由触发信号源提供；
44.其中，每个所述量子测控单元均被配置为接收至少一路所述时钟信号和至少一路所述触发信号，并通过数据传输网络与上位机通信，以获取控制指令、上传工作状态数据，以及下载调控波形数据或上传量子测量数据；每个所述触发分发单元均被配置为通过所述数据传输网络与上位机通信，以获取延时控制指令和上传工作状态数据。
45.在本实施例中，量子测控单元、时钟分发单元和触发分发单元均可根据需要测量
与控制的量子比特数量进行相应扩展，并通过数据传输网络与上位机进行通信交互，实现量子测控的相关工作；由于量子测控单元的时钟信号和触发信号由时钟分发单元和触发分发单元提供，且时钟分发单元和触发分发由于均是一路输入多路输出，能够通过级联实现大规模的扩展；具体如图2和3所示，时钟分发单元和触发分发单元均具有1路输入8路输出；其中，由4个时钟分发单元实现两级级联，可提供29路独立的时钟信号；由4个触发分发单元实现两级级联，可提供29路独立的触发信号。
46.在本发明的一个实施例中，提供如图4所示的多比特可扩展量子测控系统，其中，量子测控单元包括：电压产生设备、脉冲产生设备、微波脉冲产生设备、采集分析设备以及频率源设备；其中，所述电压产生设备、所述脉冲产生设备、所述微波脉冲产生设备、所述采集分析设备以及所述频率源设备均被配置为具有多个工作通道，并接收一路所述时钟信号和一路所述触发信号。
47.在本发明的一个实施例中，提供如图5所示的多比特可扩展量子测控系统，其中，数据传输网络包括：第一数据传输网络和第二数据传输网络；其中，
48.所述电压产生设备、所述脉冲产生设备、所述微波脉冲产生设备、所述采集分析设备以及所述频率源设备均被配置为通过所述第一数据传输网络获取设备控制指令和上传工作状态数据；所述脉冲产生设备和所述微波脉冲产生设备均被配置为通过所述第二数据传输网络下载调控波形数据，所述采集分析设备均通过所述第二数据传输网络上传量子测量数据；
49.在本实施例中，每个所述触发分发单元均被配置为通过所述第一数据传输网络获取延时控制指令和上传工作状态数据。而且所述第一数据传输网络和所述第二数据传输网络均被配置为由网络交换机级联构成；其中，所述第一数据传输网络采用千兆网络交换机；所述第二数据传输网络采用万兆网络交换机,。
50.在本发明的一个实施例中，提供的多比特可扩展量子测控系统还包括至少一个电源分发单元，其被配置为提供多路电源输出，以向所述电压产生设备、所述脉冲产生设备、所述微波脉冲产生设备、所述采集分析设备、所述频率源设备、所述时钟分发单元以及所述触发分发单元提供工作电源。
51.在本实施例中，每个所述电源分发单元均被配置为通过所述第一数据传输网络获取控制指令和上传工作状态数据。
52.在本发明的一个实施例中，提供如图6所示的多比特可扩展量子测控系统中使用的时钟分发单元，其包括：依次连接的第一衰减器、低噪声放大器、第二衰减器以及一分多功分器；其中，所述第一衰减器、所述第二衰减器以及所述一分多功分器的衰减系数与所述低噪声放大器的放大系数相适配，以保证输出的每一路时钟信号与所述基准时钟信号的功率一致；且本实施例中的时钟分发单元由外部时钟源提供基准时钟信号。
53.在本发明的一个实施例中，提供如图7所示的多比特可扩展量子测控系统中使用的时钟分发单元，其包括：耦合器、检波电路、时钟信号产生电路、第一衰减器、第二衰减器、一分二功分器、第三衰减器、低噪声放大器、第四衰减器以及一分多功分器；其中，耦合器用于接收外部时钟源提供基准时钟信号；所述检波电路用于检测所述耦合器是否接收到基准时钟信号，并在未检测到耦合器未接收到基准时钟信号时，输出一个状态信号至所述时钟信号产生电路；所述时钟信号产生电路根据所述状态信号，输出与外部时钟源提供基准时
钟信号同频的时钟信号；所述耦合器输出的基准时钟信号通过第一衰减器后耦合至所述一分二功分器的第一输出端，所述时钟信号产生电路产生的时钟信号通过所述第二衰减器后耦合至所述一分二功分器的第二输出端，所述一分二功分器的输入端连接所述第三衰减器，所述第三衰减器、所述低噪声放大器、所述第四衰减器以及所述一分多功分器依次连接；其中，所述第一衰减器或所述第二衰减器、第三衰减器、第四衰减器以及所述一分多功分器的衰减系数与所述低噪声放大器的放大系数相适配。
54.在本实施例中，所述检波电路包括：检波器、运算放大器以及比较器；其中，所述检波器输出的检测信号经所述运算放大器处理后，输入至所述比较器的一端，并由所述比较器输出所述状态信号。而且，时钟信号产生电路通常由恒温晶体振荡器ocxo和低压差线性稳压器ldo构成，可实现一定频率的时钟信号的输出。
55.在本发明的一个实施例中，提供如图8所示的多比特可扩展量子测控系统中使用的触发分发单元包括：至少一个fpga；
56.其中，每个fpga被配置为具有一个基准触发信号输入端、多个触发信号输出端，以及形成所述基准触发信号输入端与多个所述触发信号输出端之间的可编程的延迟电路，且每个输出端上分别连接有一个受控于所述fpga的数控延迟芯片；而且，所述fpga被配置为根据上位机下发的延时控制指令，控制fpga内部对每一路触发信号的延时以及每个所述数控延迟芯片对fpga输出的触发信号的延时。
57.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。