一种用量子计算方法实现的自动测试系统及方法与流程

1.本发明涉及量子计算和自动测试技术领域，具体涉及一种用量子计算方法实现的自动测试系统及方法。


背景技术：

2.量子计算始于二十世纪八十年代初期，当时物理学家保罗
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贝尼奥夫(paul benioff)用量子力学来描述可逆计算机，提出了量子图灵机的概念。理查德
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费曼(richard p.feynman)和尤里
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马宁(yuri manin)后来提出，量子计算机有潜力模拟经典计算机无法模拟的事情。从此，量子计算进入公众的视野，并吸引科研人员努力去实现它。量子计算的发展突破了许多经典计算的物理极限，从而实现了电子信息技术无法做到的信息处理功能，如量子搜索、大数质因数分解、量子保密通信、量子隐形传态、量子密钥分发等。量子计算领域几十年的研究也已表明，量子计算处理在提高运算速度、增大信息容量和提高检测精度等方面具有潜在的、巨大的应用价值。
3.随着电子设备的复杂程度和集成化程度有了显著增加，测试指标和测试项目通常覆盖大量的频点、通道，涉及移相、衰减、频偏、跳频时间、噪声系数等测试指标，产生了大量的测试需求。因此为了解决测试的复杂性问题，通常将测试软件、测试仪器资源和开关矩阵结合，搭建自动测试系统。自动测试系统和开关矩阵已经广泛使用在复杂电子设备的生产、测试过程中。
4.在现有的自动测试系统中，开关矩阵作为系统中连接dut(待测产品)和测试资源的关键设备，对整个自动测试系统的测试效率以及测试准确性有着至关重要的作用。而随着dut通道数量以及需要连接的测试资源数量增加，开关矩阵的层级、结构复杂性也随之急剧增加，会造成如下问题：
5.1、现有自动测试系统无法做到真正的并行测试，而是通过开关矩阵切换dut通道和测试资源之间的通路，对不同dut、dut的不同通道进行程控选通的方式分别进行测试，测试项目是串行开展的，带来了自动测试系统测试效率较低，仪器资源没有充分应用。
6.2、采用现有的方案设计的自动测试系统，随着dut数量的增加，开关矩阵的层数以及复杂度将几何速度增长，测试结果的不确定度也随之增大，将会对测试指标的准确度造成较大影响，甚至影响整个系统的测试结果的置信度，从而限制了自动测试系统的规模。
7.以我们使用过的某16输入、16输出的开关矩阵为例，其开关矩阵内部的层数已经达到了6层，射频线路幅度损耗约4～5dbm，相位偏移80度，且不同频率下对幅度相位影响程度不同。在使用传统开关矩阵前，应对每一通路的幅度、相位分别进行校准后，开关矩阵才能应用到自动测试系统中，并且需要定期检定、校准，使用前准备工作较为繁杂；同时，随着开关矩阵内开关层数的增加，开关矩阵的相应时间也有显著的增加，其通路切换已达到3s左右，已对自动测试系统的测试效率造成明显负面影响；在使用上述开关矩阵对dut噪声系数进行测试时，测量结果约为10左右，而不使用开关矩阵直接测量，则测试结果约为3～4，过多层数的开关矩阵已经对测试准确性产生了很大影响，这种规模通常是不可行的，只能
划小测试单元。
8.3、理论上，任意的开关矩阵和自动测试系统在相同的激励下所产生的响应是稳定的，这才能保证同一开关矩阵和自动测试系统在测试时不会出现误测。但在实际的应用过程中，由于开关矩阵和自动测试系统经常工作在开放、易变的环境下，工作电压、环境温度、电磁环境甚至是人为操作等条件的变化，都会对开关矩阵和自动测试系统的相应产生影响，进而影响自动测试系统整体测试的准确性和可靠性。
9.4、在自动测试系统的输入幅度超过额定值时，会直接对开关矩阵的内部物理器件造成永久损伤。只能通过更换开关器件或者维修，维修后，开关矩阵的整体指标也会随之改变，开关矩阵需要逐通道反复调测和检定校准后才能投入使用，影响了测试效率。


技术实现要素：

10.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用量子计算方法实现的自动测试系统及方法解决了复杂系统自动测试的问题。
11.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种用量子计算方法实现的自动测试系统，包括控制计算机及模拟量子平台、高速ad转换、数据预处理、全局量子路由并行分配器；
12.控制计算机及模拟量子平台，连接dut的输入端、测试资源的输入端、数据预处理以及全局量子路由并行分配器，用于完成dut、测试资源的控制，和数据预处理过程中的算法实施，以及与全局量子路由并行分配器间的信号交互；
13.高速ad转换，连接dut的输出端，并连接数据预处理的输入端，用于将传入的dut被测信号转换为数字信号；
14.数据预处理，输出端连接全局量子路由并行分配器，用于对由高速ad转换产生的大量数据进行pca算法，找出原始数据中最主要的成分，降低数据的维度，减小数据尺度；
15.全局量子路由并行分配器，输出端连接测试资源，用于形成量子编码，实现多码元的并行运算和传输；同时配合由量子逻辑门构造的路由分配酉算子，稳定实现多线路数据的并行传输和全局路由管控。
16.进一步地：所述测试资源包括频谱分析仪、矢量网络分析仪、峰值功率计、矢量信号源的测试仪器，用于完成待测射频信号的各指标特性的测量；所述测试资源还包括稳压电源、射频线缆、控制线缆、dut与系统输入输出端相连的各类转接器的测试附件，用于保证dut的正常工作和dut与自动测试系统间的有效连接。
17.进一步地：所述全局量子路由并行分配器包括量子比特编码器、量子寄存器、flash或高速缓存、路由分配酉算子和量子比特解码器，所述flash或高速缓存与量子寄存器均与量子比特编码器连接，所述量子比特编码器、路由分配酉算子和量子比特解码器依次连接，所述量子比特解码器通过输出端口连接测试资源。
18.进一步地：所述量子比特编码器针对dut不同通道预处理后的数字数据，使用量子比特进行编码作为数字数据的索引，将索引作为数字数据的报头，形成编码数据段，将编码数据段的索引及数字数据对应存储在全局量子路由并行分配器内，其中量子索引存储于量子寄存器中，数字数据存储于flash或高速缓存中，以便后续调用；
19.所述量子寄存器用于存储量子比特编码器产生的索引，并在调用时以量子比特形
态输出索引；
20.所述flash或高速缓存用于存储不同通道的数字数据，并在调用时以二进制形式输出数字数据；
21.所述路由分配酉算子通过制备量子纠缠态，实现在多条路由线路间形成索引和数字数据形成的编码数据段的并行传输；
22.所述量子比特解码器将编码数据段的索引和数字数据分离，并按照索引将数据信号发送至路由分配酉算子所分配的输出端，并将量子比特还原。
23.进一步地：所述路由分配酉算子的生成方法为：使用单量子比特门hadamard门、相位门、门 双量子比特门受控非门与相应的量子比特，组成量子比特的二维簇态；利用量子态的线性叠加性，对多个量子比特的二维簇态排列组合和连接，形成路由分配酉算子。
24.一种用量子计算方法实现的自动测试方法，包括以下步骤：
25.s1、将自动测试系统的输入端连接至n个dut的输出端口，将测试资源的相应通道连接至自动测试系统的输出端；
26.s2、由控制计算机指定自动测试系统输入信号的通道数以及对接自动测试系统的输入、输出端口号；
27.s3、使用高速ad转换将dut发出的射频信号、控制信号分别转为数字信号；
28.s4、使用pca算法对数字信号进行数据预处理，将原先的m个数据的维度从n维降到n＇维，以降维的方式减小数据尺度，形成数字数据；
29.s5、将数字数据按照不同通道分别存储于全局量子路由并行分配器中的flash或高速缓存中；
30.s6、使用量子比特编码器对量子比特进行编码，产生数字数据的报头，并与相应通道的数字数据结合，形成编码数据段，编码数据段的量子编码报头存储于量子寄存器；
31.s7、路由分配酉算子按照指定的输入输出对编码数据段进行信号传输拓扑结构规划和分配，同时路由分配酉算子对报头进行相应运算，运算后的报头已经重新指向输出通道；
32.s8、量子解码器将经由路由分配酉算子的编码数据段的报头解码，并将数字数据发送至自动测试系统的相应输出端口；
33.s9、自动测试系统将输出端口输出的数字数据经由测试线缆传输至测试资源进行分析、运算；
34.s10、制计算机通过仪器通用接口控制线控制测试资源对相应输出端口的数字数据进行测试，得出所需指标。
35.本发明的有益效果为：
36.1、本发明利用酉算子构造及量子叠加特性，实现输入输出间区域的全局信号传输拓扑结构管理，以量子方式实现传统开关矩阵的通道选择和传输线路控制的功能。减少测试系统本身复杂结构对测试结果的负面影响，提高输入输出间的传输准确度；减少环境及人为因素对测量结果的影响，避免了传统开关矩阵对测试结果产生的指标影响，提升了测试系统测试精确度和可靠性。本发明提供的自动测试系统不会因为测试输入输出端口数量改变测试准确度，解决了复杂系统的自动测试问题。
37.2、本发明搭建自动测试系统真正实现了同时并行测试，避免了传统自动测试系统中仪器被系统占用却长期处于排队等待状态，降低了测试仪器成本。
38.3、本发明基于量子纠缠特性的数据并行传输，可动态切换输入输出链路，在不增加资源消耗的条件下极大提高了信号传输效率，以64路输入输出的测试系统为例分别在azure quantum量子云平台和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院量子计算云平台上进行了模拟，较传统开关矩阵效率提升103左右。
附图说明
39.图1为本发明系统组成原理框图；
40.图2为本发明实施例中全局量子路由并行分配器原理框图；
41.图3为本发明方法流程图。
具体实施方式
42.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
43.如图1所示，本发明是基于量子计算的自动测试系统(以下简称量子测试系统)包括：控制计算机及模拟量子平台、高速ad转换、数据预处理、全局量子路由并行分配器、测试资源(测试仪器、测试线缆及附件)。量子测试系统中各模块作用如下：
44.控制计算机及模拟量子平台：控制计算机连接dut、测试资源、数字预处理和全局量子路由并行分配器，主要作用是完成dut、测试资源的控制，和数据预处理过程中的算法实施，以及与全局量子路由并行分配器间的信号交互。模拟量子平台主要使用现有的azure quantum量子云平台、rigetti量子云服务(qcs)和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院研制的量子计算云平台，通过青果(quingo)量子软件编程完成量子比特和量子计算方法的软件模拟。
45.高速ad转换：高速ad转换输入端为dut、测试资源的输出端。其输出端为全局量子路由并行分配器，输出数字信号，主要作用是将传入的被测信号转换为数字信号。
46.数据预处理：对由高速ad转换产生的大量数据进行pca算法(主成分分析算法)处理，找出原始数据中最主要的成分，降低数据的维度，减小数据尺度。
47.全局量子路由并行分配器：利用量子比特能够同时处于0和1态，以及量子叠加性和纠缠性，形成量子编码，实现多码元的并行运算和传输；同时配合由量子逻辑门构造的路由分配算子，稳定实现多线路数据的并行传输和全局路由管控。
48.如图2所示，全局量子路由并行分配器包括：
49.1、量子比特编码器：针对dut不同通道预处理后的数字数据，使用量子比特进行编码作为数字数据的索引，将索引作为数字数据的报头，形成编码数据段，将编码数据段的索引及数字数据对应存储在全局量子路由并行分配器内，其中量子索引存储于量子寄存器中，数字数据存储于flash或高速缓存中，以便后续调用；
50.2、量子寄存器：用于存储量子比特编码器产生的索引，并在调用时以量子比特形
态输出索引；
51.3、flash或高速缓存：用于存储不同通道的数字数据，并在调用时以二进制形式输出数字数据；
52.4、路由分配酉算子：通过制备量子纠缠态，实现在多条路由线路间形成索引和数字数据形成的编码数据段的并行传输；
53.使用单量子比特门hadamard门、相位门、门 双量子比特门受控非门(cnot)与相应的量子比特，组成量子比特的二维簇态；
54.利用量子态的线性叠加性，对多个量子比特的二维簇态排列组合和连接，形成路由分配酉算子；
55.其主要作用是利用量子的相干性和并行性，对输入输出的通道需求构建酉矩阵，对输入输出间的信号传输拓扑结构进行全局、并行(多路由线路同时)路由拓扑结构规划和分配。
56.5、量子比特解码器：将编码数据段的索引和数字数据分离，并按照索引将数据信号发送至路由分配酉算子所分配的输出端，并将量子比特还原。
57.测试资源：主要包含频谱分析仪、矢量网络分析仪、峰值功率计、矢量信号源等的测试仪器，其作用是完成待测射频信号的各指标特性的测量，以及包含稳压电源、射频线缆、控制线缆、dut与系统输入输出端相连的各类转接器等的测试附件，主要保证dut的正常工作和dut与量子测试系统间的有效连接。
58.如图3所示，以64端口输入量子测试系统为例，本发明的具体实现步骤如下：
59.1)将量子测试系统的64个输入端连接至n个dut的输出端口，将测试资源的相应通道连接至量子测试系统的输出端；
60.2)由控制计算机指定量子测试系统输入信号的通道数以及对接量子测试系统的输入、输出端口号，即仅需指定输入输出通道及相应指标，而不需要具体指定输入输出间的路由线路；
61.3)使用高速ad将dut发出的射频信号、控制信号等分别转为数字信号；
62.4)使用人工智能中的pca算法对初态数字信号进行预处理，将原先的m个数据的维度从n维降到n＇维，以降维的方式减小数据尺度，形成数字数据；
63.5)将数字数据按照不同通道分别存储于全局量子路由并行分配器中的flash或高速缓存中；
64.6)使用量子比特编码器对6位量子比特进行编码，产生数字数据的报头，并与相应通道的数字数据结合，形成编码数据段，编码数据段的64个(26个)量子编码报头存储于量子寄存器；
65.7)路由分配算子按照指定的输入输出对编码数据段进行信号传输拓扑结构规划和分配，同时路由分配算子对报头进行相应运算，运算后的报头已经重新指向输出通道；
66.8)量子解码器将经由路由分配算子的编码数据段的报头解码，并将数字数据发送至量子测试系统的相应输出端口；
67.9)量子测试系统将输出端口输出的数字数据经由测试线缆传输至测试资源进行分析、运算；
68.10)控制计算机通过仪器通用接口控制线控制测试资源对相应输出端口的数字数据进行测试，得出所需指标。