用于离子阱量子计算机的射频控制装置及射频系统的制作方法

1.本实用新型涉及量子计算领域，特别地涉及用于离子阱量子计算机的射频控制装置及射频系统。


背景技术：

2.离子阱量子计算机是目前实现量子计算的一种主流设备。最常见的离子阱类型为penning阱和paul阱。在penning阱中，通过静态电场对离子提供轴向维度的限制，通过平行的静态磁场对离子提供径向方向的限制，即由电场和磁场组合形成的电势实现离子的囚禁。而在paul阱中，通过直流电信号和高频振荡信号在两个或三个维度上产生一个随时间快速振荡的周期势，在一定条件下，这样的势场将离子束缚在阱中，即paul阱通过静态电场和振荡电场组合形成的电势实现离子的囚禁。在具体的离子阱结构中，离子阱中设置有射频电极，其接收射频信号，基于射频信号产生射频电场，进而将离子囚禁在阱中。离子在陷阱势场中的稳定性取决于产生势场的稳定性和离子本身的参数，如离子的电荷质量比。其中，势场的稳定性取决于射频信号的稳定性，如射频频率、射频振幅等的稳定性，而射频信号链路中的器件增益噪声、系统振动和温度漂移等都会影响施加到射频电极的射频信号的稳定性，而这些影响因素又是实际应用中难以避免的。
3.在公开号为cn 216817192 u、实用新型名称为“一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统”的中国实用新型专利中提供了一种控制系统，将原始射频信号分为两路信号，一路信号经过功率器放大、螺旋谐振腔升压后耦合到离子阱中，另一路信号作为参考信号。其中，通过对升压后的射频信号进行采样得到采样信号。将参考信号与采样信号进行频混后通过低通滤波器滤除高频成份，再由pid控制器经过pid算法输出反馈信号。反馈信号经过运算器反馈到功分器的输出端，与原始射频信号进行混频后再经过功率放大、升压耦合到离子阱。在系统构成上，上述方案中的反馈回路包括无源低通滤波器、pid控制器、基准电压源电路和运算电路，他们为独立的设备，相互之间通过同轴连接器连接。在控制方法上，将反馈信号与基准电压进行减法运算后输出到混频器对原始射频信号进行幅度调制。从系统构成上来看，为了实现对射频信号的控制，需要在离子阱射频系统的反馈回路中增加额外的现有独立设备，而这些独立设备为适应各种应场景，通常提供有更多的性能，例如，通过滤波器提供较宽的带宽，而在离子阱射频系统中，只需要对应某个频段信号的带宽就足够了，再例如电源，通用设备的电压范围更快，功率更大。从而可见，这种系统构成方案不但使得离子阱设备庞杂、复杂度高、不够紧凑，而且造成对现有设备功能的浪费，提高了系统的整体成本。另外，在控制方法方面，该方案在电压采样后对采样信号进行低通滤波，从中去除了高频信息，也就是滤除了频率信息，在通过pid控制算法时只能得到幅度方面的调整信息，对射频信号的调整不够全面；其次，为了得到获取反馈信号的参考信号和耦合到离子阱的射频信号，需要对原始信号进行信号分离，不但降低了耦合到离子阱的射频信号功率，而且还需要增加功分电路和混频器，进一步提高了设备成本。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提出了一种用于离子阱量子计算机的射频控制装置及射频系统，以使离子阱量子计算机的整体系统结构紧凑、射频信号稳定。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种用于离子阱量子计算机的射频控制装置，至少包括控制模块、信号发生模块和反馈回路，所述控制模块的信号输入端连接上位机，所述控制模块的信号输出端连接所述信号发生模块的控制信号输入端，所述反馈回路的输入端耦合到离子阱的升压装置的低压采样信号端，所述反馈回路的输出端连接所述控制模块的信号反馈端；其中，所述控制模块基于上位机发送的射频控制参数生成射频信号参数并输出给所述信号发生模块；所述信号发生模块根据所述射频信号参数生成原始模拟射频信号；所述反馈回路接收来自耦合到离子阱的升压装置的低压采样信号，经模数转换后发送给所述控制模块；所述控制模块基于所述反馈回路发送来的数字采样信号修正所述射频信号参数。
6.优选地，所述射频控制装置还包括功率放大模块，所述功率放大模块的输入端与所述信号发生模块的模拟信号输出端连接，所述功率放大模块对所述信号发生模块生成的原始模拟射频信号的功率放大预置倍数，经所述功率放大模块的输出端将功率放大后的模拟射频信号输出给升压装置。
7.优选地，所述射频控制装置中的所述反馈回路包括高速模数转换模块，所述高速模数转换模块对来自升压装置的低压采样信号进行模数转换得到数字采样信号，所述数字采样信号包含耦合到离子阱的射频信号的频率和幅度。
8.优选地，所述射频控制装置中的所述控制模块包括接收单元、参数配置单元和pid控制单元，所述接收单元通过所述控制模块的信号输入端接收上位机发送的射频控制参数，并将射频控制参数发送给参数配置单元；所述参数配置单元基于所述射频控制参数和所述信号发生模块的工作参数配置射频信号参数，并在接收到修正参数时修正所述射频信号参数；所述pid控制单元经所述控制模块的信号反馈端接收数字采样信号，基于所述数字采样信号按照pid算法生成射频信号参数的修正参数，并发送给所述参数配置单元。
9.优选地，所述射频控制装置中的所述信号发生模块为dds模块，所述dds模块用于生成原始模拟射频信号的射频信号参数包括波形控制字、频率控制字、幅度控制字和相位控制字中的一种或多种，所述dds模块的工作参数包括相位累加器的位宽、dds模块中d/a转换器的分辨率和信号输出幅度量程。
10.为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种用于离子阱量子计算机的射频系统，包括前述的射频控制装置和升压装置，其中，所述射频控制装置设置于射频板卡上，所述射频板卡包括上位机连接端子、模拟射频信号输出端子和模拟采样输入端子，所述上位机连接端子与所述射频控制装置中的反馈回路的信号输入端连接，模拟采样输入端子与所述射频控制装置中的控制模块的信号反馈端连接；所述升压装置包括螺旋谐振腔和分压电路，所述螺旋谐振腔的天线端子与射频板卡的模拟射频信号输出端子连接，所述分压电路的低压采样端与射频板卡的模拟采样输入端子连接，所述螺旋谐振腔的射频信号输出端与离子阱的射频电极相连接。
11.优选地，所述螺旋谐振腔为双螺旋谐振腔。
12.优选地，所述射频系统包括多组升压装置，每组升压装置包括单螺旋谐振腔和分
压电路，每组升压装置中的单螺旋谐振腔的射频信号输出端与离子阱的射频电极连接。
13.优选地，所述射频板卡包括多个模拟射频信号输出端子，所述多个模拟射频信号输出端子分别与每组升压装置中的单螺旋谐振腔的天线端子连接；所述射频板卡包括多个模拟采样输入端子，所述多个模拟采样输入端子分别与每组升压装置中的分压电路的低压采样端连接。
14.本实用新型提供的用于离子阱量子计算机的射频控制装置及射频系统结构紧凑，减少浪费，降低成本，并且能够稳定耦合到离子阱的射频信号的频率和幅度，因而提高了离子阱中囚禁电场的稳定性。
附图说明
15.下面，将结合附图对本实用新型的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
16.图1是根据本实用新型的一个实施例的用于离子阱量子计算机的射频系统结构原理图；
17.图2是根据本实用新型的一个实施例的射频板卡的原理框图；
18.图3是根据本实用新型的一个实施例的控制模块的原理框图；
19.图4a是根据本实用新型的一个实施例的dds模块的原理框图；
20.图4b是根据本实用新型的一个实施例的dds模块在生成正弦波时各个单元产生的信号图；
21.图4c-4d是根据本实用新型的一个实施例的dds模块在生成方波和三角波时各个单元产生的信号图；
22.图5是根据本实用新型另一实施例的用于离子阱量子计算机的射频系统的结构原理框图；以及
23.图6是根据本实用新型一个实施例的离子阱量子计算机的系统结构连接图。
具体实施方式
24.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.在以下的详细描述中，可以参看作为本技术一部分用来说明本技术的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本技术的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本技术的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本技术的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
26.本实用新型公开了一种用于离子阱量子计算机的射频系统，如图1所示，为根据本实用新型一个实施例的用于离子阱量子计算机的射频系统的结构原理图，其中包括射频板卡11和升压装置12；射频板卡11中的元器件构成了射频控制装置，射频板卡11上设置有上位机连接端子111、模拟射频信号输出端子112和模拟采样输入端子113，升压装置12包括螺
旋谐振腔50和分压电路60，螺旋谐振腔50的天线端子51连接射频板卡11的模拟射频信号输出端子112，分压电路60的低压采样端61连接射频板卡11的模拟采样输入端子113。
27.如图2所示，图2是根据本实用新型一个实施例的射频板卡的原理框图。射频板卡11中的射频控制装置包括控制模块10、信号发生模块20、功率放大模块30和高速模数转换模块40。其中，功率放大模块30为可选模块，在信号发生模块20产生的射频信号功率足够时，可以不用功率放大模块30。在本实施例中，控制模块10可由fpga(field programmable gate array，现场可编程门阵列)模块实现，由于fpga由许多逻辑模块组成，人们可以利用现场可编程门阵列(fpga)实现任意数字逻辑，因而，在本实施例中，应用fpga模块接收控制参数，为信号发生模块20配置参数并实现射频信号的pid控制。
28.如图3所示，是图3是根据本实用新型一个实施例的控制模块的原理框图。控制模块10包括接收单元101、射频信号参数配置单元102和pid控制单元103，接收单元101的信号输入端与射频板卡上的上位机连接端子111相连接，接收上位机pc的射频控制参数。
29.当控制模块10由fpga芯片及其外围电路实现时，在一个实施例中，fpga芯片与上位机pc之间通过rs232通信协议进行通信，射频板卡11上设置的上位机连接端子111为rs232标准的com口，com口中包括一个数据接收线rx，一个数据发送线tx。数据接收线rx的位宽为1bit，上位机pc通过串口调试应用程序往fpga芯片发送8bit数据时，fpga芯片中的接收单元101通过com口的数据接收线rx一位一位地接收，从最低位到最高位依次接收，最后拼接成8bit数据。在另外的实施例中，fpga芯片与上位机pc之间可以通过usb协议通信，或通过以太网(ethernet)协议通信，上位机连接端子111分别对应为usb接口，或rj45接口。
30.在一个实施例中，型号为ep4ce10f1717n的fpga芯片包括多个功能引脚、io引脚及电源、接地引脚。功能引脚包括配置程序加载、模式选择等功能的引脚。io引脚用于与外部电路连接，例如在本实施例中，通过两个io引脚与com口的数据接收线rx和数据发送线tx相连接，用于接收上位机的数据，或向上位机发送数据，另外的1-3个io引脚用于与信号发生模块20相连接，用于向信号发生模块20发送射频信号参数，另外的一个io引脚与高速模数转换模块40的输出相连接，接收数字采样信号。
31.在上位机pc中的fpga软件开发环境中对fpga芯片进行配置，例如，配置前述的接收单元101、射频信号参数配置单元102和pid控制单元103，再将配置程序加载到fpga芯片中，并存储在内部或外部存储器中。当存储在外存储器中时，外部存储器与配置程序加载功能引脚相连接，在每次启动时，将内部配置程序加载到fpga芯片中。关于fpga芯片的配置及其外围电路构成，本领域的技术人员可参考选用的fpga芯片的使用指南完成，在此不再赘述。
32.在本实用新型中，来自上位机pc的射频控制参数包括离子阱13所需射频信号的波形类型、电压幅值和频率。在离子阱使用正弦波的射频信号时，需要在射频控制参数中指定波形类型，例如为正弦波，并根据离子阱对射频信号的频率、电压的要求，在射频控制参数中指定频率和幅度。根据离子阱类型，离子阱射频电极的电压幅值范围通常为100-1000v、频率范围通常为10-100mh。
33.在本实施例中，信号发生模块20为dds模块，其原理图如图4a所示，dds模块包括相位累加器、波形存储器、d/a转换器和低通滤波器。其中，相位累加器和d/a转换器接收时钟信号fc。相位累加器包括加法器与累加寄存器，其位宽为n。加法器在每得到一个时钟信号
时将频率控制字m和在得到前一个时钟信号时存储到累加寄存器中的结果相加，再把相加后的结果存储到累加寄存器中，再由累加寄存器存储到波形存储器中。累加寄存器的位宽n与其中存储的数据数量k的关系为k＝2n。也就是说，在每接收到一个时钟信号时进行一次采样，每次的采样对应着一个相位。采样数量由寄存器的位宽n决定。波形存储器将相位累加器的值作为地址在波形查找表中查到与其对应的相位点。波形存储器可以为多个，分别用于存储对应波形的相位点。例如，当前图4a中的波形存储器存储的是正弦波数据，其中的波形查找表中存储有对应正弦波从00到3600的每一个相位点，每一个相位点对应着正弦波的一个幅度信息。波形查找表将相位累加器的相位信息映射至与符合波形的数字幅度字，并将所述数字幅度字输出到d/a转换器，驱动d/a转换器输出具有一定幅值的模拟信号，从而得到相应的波形的射频信号。所述幅值由数字幅度字和d/a转换器的基准电压确定。由于d/a转换器存在量化误差，为平滑输出波形，在d/a转换器之后使用低通滤波器进行滤波，以得到性能更好的信号。对应于相位累加器、波形存储器、d/a转换器和低通滤波器的信号图如图4b所示。图4c和图4d分别是在输出为方波或三角波时波形存储器和低通滤波器的信号图。与正弦波相似，波形查找表中的每个地址对应着方波或三角波一个周期对应的相位点。因而，在一个进一步的实施例中，为了满足能够输出不同的波形信号，dds模块包括多个波形存储器，相位累加器根据输出所需的波形将其累加后的结果存储到对应的波形存储器中。
34.在一个实施例中，dds模块可以采用单片电路，例如ad公司的ad991x系列芯片。本领域的技术人员可根据实际需要选择参数相应的dds芯片，并基于芯片使用指南配置相应的外围电路，在此不再赘述。
35.通过上面的dds模块的原理可见，为了生成耦合给离子阱一定要求的射频信号，控制模块10的射频信号参数配置单元102需要根据上位机pc发送的射频信号的波形类型、电压幅值和频率生成对应的波形控制字以使dds模块中的相位累加器与对应的波形存储器接通。射频信号参数配置单元102基于dds模块的工作参数生成频率控制字，用以使dds模块输出的信号频率符合要求。dds模块的工作参数例如包括采样时钟频率fc和相位累加器寄存器的位宽n。射频信号参数配置单元102基于目标频率f0(即射频信号频率)可以得到dds模块的频率控制字m，m＝f0*2n/fc。射频信号参数配置单元102基于dds模块的工作参数生成幅度控制字，在d/a转换器的基准电压不变的条件下使dds模块输出的信号幅度符合要求，例如，d/a转换器的输出分辨率是mbit、输出幅度量程fs、输出目标幅度为f0时,幅度控制字asf可以表示为：asf＝f0*2m/fs。
36.在本实用新型中，将上述的波形控制字、频率控制字和幅度控制字称为射频信号参数。射频信号参数配置单元102将上述生成的射频信号参数输出给dds模块，dds模块根据射频信号参数生成原始模拟射频信号。
37.当离子阱具有两个射频电极，并且使用单螺旋谐振腔时，dds模块需要生成两路相位相同的射频信号供给两个单螺旋谐振腔，此时dds模块还需要相位控制字来同步两路射频信号；当离子阱使用双螺旋谐振腔时，只需要一路射频信号，此时不需要控制相位，即不需要相位控制字。
38.功率放大模块30与信号发生模块20相连接，按照预置的放大倍数放大原始模拟射频信号的功率。功率放大模块的输出端为设置在射频板卡上的模拟射频信号输出端子。在
一个实施例中，可通过在功率放大模块30的相关位置设置不同的放大倍数物理开关来选择放大倍数，也可以通过设置的电子开关，由控制模块10来控制使用的放大倍数，因而可以适用于不同的射频信号的需求，并调整灵活。所述功率放大模块30可以根据实际应用的需要由现有的通用相关器件构成。例如，所述功率放大模块30由依次串联连接的衰减器、balun变换器、功率放大器以及射频开关(rf switch)组成。
39.高速模数转换模块40设置在射频控制装置的反馈回路中，其输入端与射频板卡上的模拟采样输入端子113相连接，用于接收来自分压电路60的低压采样信号，输出端连接控制模块10的反馈信号端。低压采样信号包括了耦合至离子阱的射频信号的频率和幅值。在一个实施例中，高速模数转换模块40包括高速a/d转换模块和对应的高精度参考电压源，高速a/d转换模块对低压采样信号进行模数转换后得到数字采样信号，并发送给控制模块10。在一个实施例中，所述高速模数转换模块40可以采用ad公司自带高精度可编程基准电源的高速模数转换芯片ad9211及其同系列芯片来实现。
40.控制模块10的pid控制单元103通过反馈信号端接收反馈回路中的数字采样信号，从数字采样信号中识别出幅度、频率，并与原始射频信号对应的幅度、频率进行对比得到相应的误差信号，基于所述误差信号进行比例、积分和/或微分运算生成频率控制字和/或幅度控制字的修正值，并将其发送给射频信号参数配置单元102。
41.在本实施例中，射频系统中的升压装置12包括一个双螺旋谐振腔50和一个分压电路60，双螺旋谐振腔50包括两个射频信号输出端52、53，所述两个射频信号输出端52、53分别与离子阱的两个射频电极相连接，双螺旋谐振腔50同步地将升压后的射频信号耦合到离子阱的两个射频电极。在一个实施例中，分压电路60为连接在双螺旋谐振腔50一个射频信号输出端的电容分压电路，通过设置适当的电容值，可以使分压比范围为100:1～500:1。当耦合到离子阱的射频信号幅值100-1000v时，电容分压电路提供的低压采样端可以提供的采样信号的幅值对应为1～2v。包含了频率信息和幅值信息的采样信号经过高速a/d转换后保留了原采样信号中的所有信息。
42.由于本实施例中采用的是双螺旋谐振腔，因而dds模块只生成一路模拟射频信号，此时的射频信号在功率放大、升压等过程中产生的增益噪声、整体系统的振动、温度漂移等影响射频信号的幅值和频率产生波动，因而本实施例中pid控制单元103根据采样信号生成幅度控制字修正值和频率控制字修正值。射频信号参数配置单元102基于频率控制字、幅度控制字的修正值修改原来生成的射频信号参数中的频率控制字、幅度控制字，得到新的射频信号参数并发送给dds模块。dds模块基于新的频率控制字调整输出信号的频率，基于新的幅度控制字调整输出信号的幅值，从而改变了原始射频信号的幅值和频率等参数值，进而稳定了射频信号链路中的射频信号波动。
43.如图5所示，为根据本实用新型另一实施例的用于离子阱量子计算机的射频系统的结构原理框图，在本实施例中，包括两个升压装置12a、12b。升压装置12a、12b分别包括一个单螺旋谐振腔50a、50b，单螺旋谐振腔50a、50b分别连接分压电路60a、60b，单螺旋谐振腔50a、50b的射频信号输出端52a、53a连接离子阱13的射频电极；对应地，射频板卡11包括分别与两个单螺旋谐振腔的天线端子51a、51b连接的两个模拟射频信号输出端112a、112b，；射频板卡11包括分别与每个分压电路的低压采样端61a、61b相连接的两个模拟采样输入端113a、113b。
44.射频板卡11中的控制模块10除了如前述实施例一样修改每个射频信号的射频信号参数中的幅度控制字和频率控制字以调整射频信号的幅度和频率外，还对比两个射频信号的相位，根据相位误差信号分别生成对两个射频信号的相位控制字，以使两个单螺旋谐振腔50a、50b耦合到离子阱13的射频信号相位同步。
45.当然，当离子阱13只有一个射频电极时，只需要一组升压装置12a或升压装置12b即可满足要求。当离子阱13有多个射频电极时，可以包括多组与升压装置12a、12b相同的升压装置，对应地，射频板卡11有多个模拟射频信号输出端和多个模拟采样输入端，分别与单螺旋谐振腔的天线端子和分压电路的低压采样端连接。
46.在离子阱量子计算机系统中，无论是采用双螺旋谐振腔，还是单螺旋谐振腔，射频信号在功率放大、升压等过程中产生的增益噪声、整体系统的振动、温度漂移等都会影响射频信号的幅值和频率，射频信号的波动将进一步影响捕获离子的谐波振荡频率，从而降低离子囚禁的效果。本实用新型通过射频板卡上的控制模块能够很好地解决射频信号的波动问题，使施加到离子阱射频电极上的射频信号处于稳定状态。
47.本实用新型将所需要的元器件集成在射频板卡上，利用螺旋谐振腔中的分压电路取得射频信号的低压采样信号，不再需要现有的独立设备，如现有技术中的无源低通滤波器、pid控制器、基准电压源电路和运算电路等，因而本实用新型提供的装置结构紧凑，集成度高。本实用新型在控制模块中通过算法实现pid控制，不但节省了现有设备中的pid控制器，而且通过调整信号发生模块的射频信号参数，进而达到调整射频信号的目的，相对于现有技术中为调整已生成的射频信号而需要的混频器、运算器等设备，本实用新型减少了混频器、运算器等设备，降低了离子阱量子计算机的整体设备成本。
48.如图2所示，射频板卡包括一个或多个电源管理模块70，经配置以为控制模块10、信号发生模块20和功率放大模块30和高速模数转换模块40供电。
49.如图6所示，为本实用新型另一个实施例的离子阱量子计算机系统结构连接图。在本实施例中，离子阱量子计算机系统包括上位机pc、控制主板14、射频系统及离子阱13，上位机pc与控制主板14通信，控制主板14上设置有系统中所需要的电源，如直流电源、开关电源等等，电通通过控制主板14上的印刷电路板与各个插槽相连接，为每个与插槽相连接的板卡供电。为了实现对离子阱的各种控制，本系统根据功能将实现各种功能的元器件集成在一个板卡上，并播在插槽中，通控制主板14接收上位机pc的指令，并从控制主板14获得电源。以本实用新型中的射频板卡为例，射频板卡11中的电源管理模块70的电源输入端与插槽中的电源端相连接，通过插槽中的电源端与控制主板14上的电源相连接，电源管理模块70将从控制主板14获得电压按照需要进行变换，以提供给相应射频板卡上的电路元件。
50.相比于现有技术中在离子阱量子计算机的射频系统中包括各种独立设备，本实用新型结构紧凑、所需的独立设备少，减少了设备功能及成本的浪费，并且，本实用新型能够稳定射频信号，通过调整射频信号生成时所需的参数达到稳定射频信号频率、幅度，并保持多个射频信号的相位同步。
51.上述实施例仅供说明本实用新型之用，而并非是对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本实用新型公开的范畴。