信号发生器、量子控制系统及量子计算机的制作方法

1.本技术涉及量子测控技术领域，尤其是涉及一种信号发生器、量子控制系统及量子计算机。


背景技术：

2.量子处理器为运行量子计算的核心部件，量子处理器上集成有多位量子位，为了保证量子位的正常工作，需要设置多个信号源或信号发生器为每个量子位提供各种控制信号、例如频率控制信号、量子态控制信号。随着技术的发展，量子处理器上的量子位的位数提高至几百位、甚至几千上万位，对应的信号源或信号发生器的数量也会越来越多，传输至量子处理器的控制信号的数量也越来越多，传输控制信号的链路越来越复杂，而且控制信号之间容易相互干扰，影响信号保真度，降低对量子位的控制精度。
3.因此，如何提高对量子处理器上各个量子位的操控精度是本领域亟待解决的技术问题。
4.需要说明的是，公开于本技术背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种信号发生器、量子控制系统及量子计算机，用于提高对量子处理器上各个量子位的操控精度。
6.为了实现上述目的，本技术提出一种信号发生器，包括：
7.中控模块，输出若干并行的信号数据；
8.数模转换模块，连接所述中控模块，用于依据接收的所述信号数据输出对应的差分控制信号；
9.若干变压器模块，连接所述数模转换模块，用于对所述差分控制信号进行处理，输出单端控制信号；
10.如上所述的信号发生器，进一步的，所述中控模块与所述数模转换模块之间通过串行器和解串器接口传输所述信号数据。
11.如上所述的信号发生器，进一步的，所述串行器和所述解串器接口传输差分形式的信号数据。
12.如上所述的信号发生器，进一步的，所述变压器模块包括巴伦变压器。
13.如上所述的信号发生器，进一步的，所述巴伦变压器的输出端的阻抗为50欧姆。
14.如上所述的信号发生器，进一步的，所述中控模块、所述数模转换模块及所述变压器模块均集成于一pcb板上。
15.如上所述的信号发生器，进一步的，还包括位于所述pcb板上的若干信号连接器，各所述信号连接器分别电连接一所述变压器模块，用于输出所述单端控制信号。
16.如上所述的信号发生器，进一步的，所述pcb板上电连接所述变压器模块与对应的所述信号连接器的各信号传输线等长。
17.本技术另一方面提供一种量子控制系统，包括任一项上述的信号发生器。
18.本技术再一方面提供一种量子计算机，包括上述的一种量子控制系统、及量子处理器；所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的控制信号执行量子运算。
19.与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：
20.本技术信号发生器的数模转换模块和变压器模块之间通常采用信号传输线电连接，数模转换模块输出差分式的控制信号传输至变压器模块，可以提高对其他信号的抗干扰能力；变压器模块对接收到的差分式控制信号进行处理，处理为单端控制信号并输出，确保输出的单端控制信号的精度，进而确保对量子处理器上各量子位的操控精度。
附图说明
21.图1为本技术实施例提出的一种信号发生器的功能模块组成示意图；
22.图2为本技术实施例提出的一种中控模块与数模转换模块数据通信示意图；
23.图3为本技术实施例提出的功能模块集成于pcb板的示意图。
24.1-中控模块，2-数模转换模块，3-变压器模块，4-信号连接器，5-pcb板。
具体实施方式
25.下面将结合示意图对本技术的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本技术实施例的目的。
26.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
28.对现在市场上已有的一些量子计算机而言，大都采用上位机、量子控制系统以及量子处理器的组合来实现一些量子计算任务，一般通过上位机接收用户的量子计算任务，对量子计算任务进行处理并形成量子线路，然后将量子线路映射到对应量子处理器的拓扑结构中。量子线路中包含了本次量子计算任务所需要的量子逻辑门、最终量子计算结果的测量操作以及各个操作的时序，量子控制系统在接收到量子线路中包含的这些信息时，会将这些信息转化成相应指令以使得相应的硬件设备进行操作并完成量子计算任务。
29.一般地，一个量子处理器上设有多个量子位(也可称之为量子位)以及数据传输线，每个量子位包括相互耦合连接的探测器和量子位装置，其中，量子位装置可以为利用超导约瑟夫森结和对地电容构成的人造超导量子位，探测器可以为谐振腔。量子位装置上设置有第一控制信号线和第二控制信号线，与量子位装置耦合连接的探测器上设有第三控制
信号线，其中，第一控制信号线用于传输对量子位装置进行量子态信息调控的量子态调控信号，第二控制信号线用于传输对量子位装置进行频率参数调控的频率调控信号，而第三控制信号线既用于传输对探测器进行测量读取的测量信号又用于将探测器返回的读取回传信号输出，以实现对量子位装置状态的间接读取测量。因此，用于量子处理器中量子位调控和测量的量子控制系统需要生成并输出三种控制信号分别提供给第一至第三控制信号线，以实现对量子处理器中量子位的调控和测量。
30.申请人在实际应用时发现，由于量子计算任务中包含的量子逻辑门需要在对应的量子位退相干之前完成，因此，在进行量子处理器在处理量子计算任务时对控制信号的精度要求很高。而随着量子处理器上集成的量子位的数量越来越多，需要提供的控制信号的数量也越来越多，传输控制信号的链路越来越复杂，链路中的阻抗不匹配、控制信号的相互干扰均会影响控制信号的精度，进而影响对量子位的控制精度。
31.基于此，本技术实施例提供一种信号发生器，包括：中控模块1，输出若干并行的信号数据；数模转换模块2，连接所述中控模块1，用于依据接收的所述信号数据输出对应的差分控制信号；若干变压器模块3，连接所述数模转换模块2，用于对所述差分控制信号进行处理，输出单端控制信号。
32.具体的，中控模块1接收上位机发送的各量子计算任务的任务数据，并将任务数据解析为待输出至量子处理器的控制信号的信号数据。中控模块1与数模转换模块2通信连接，将解析后获得的信号数据发送至数模转换模块2，数模转换模块2根据信号数据输出对应的控制信号。其中，数模转换模块2输出的控制信号为差分式的控制信号，即数模转换模块2的两个输出端口输出差分式的控制信号至一个变压器模块3的输入端。数模转换模块2和变压器模块3之间通常采用信号传输线电连接，采用差分式的控制信号传输至变压器模块3，可以提高对其他信号的抗干扰能力。变压器模块3对接收到的差分式控制信号进行处理，处理为单端控制信号并输出。
33.需要补充的是，数模转换模块2具有多个输出端口，每两个端口输出的差分控制信号传输至一个变压器模块3，采用多个变压器模块3输出对应数量的单端控制信号。此外，数模转换模块2的数量也可以为多个，满足更多位的量子处理器的控制需求。其中，中控模块1可选用fpga(field programmable gate array)、mcu(microcontroller unit))、mpu(microprocessor unit)或dsp(digital signal processor)等；数模转换模块2可选用dac。信号连接器4可以选用sma连接器、smp连接器等。
34.在本实施例中，所述中控模块1与所述数模转换模块2之间通过串行器和解串器接口(serdes)传输所述信号数据。量子处理器上集成的量子位数量越来越多，需要提供的控制信号的数量对应增多，即中控模块1和数模转换模块2之间需要传输的信号数据量非常庞大，对中控模块1、数模转换模块2的数量要求、通信端口、传输带宽等要求越来越多，采用serdes(serializer/deserializer)链路，并采用多路serdes链路用于中控模块1和数模转换模块2之间的信号数据传输，确保信号数据的高速且有效的传输。具体的，采用cml(current mode logic)高速差分信号传输接口传输信号数据，且传输接口的输入输出阻抗均采用50欧姆，确保信号数据的高精度传输。
35.如附图2所示，中控模块1与所述数模转换模块2之间通过串行器和解串器接口传输信号数据时，所述串行器和所述解串器接口传输差分形式的信号数据。具体的，p1和n1为
一对差分信号数据，p2和n2为一对差分信号数据，依次类推到pn和nn，采用差分模式传输信号数据，提高信号数据的抗干扰能力，进而确保数模转换模块2输出的单端控制信号的精度。
36.在本实施例中，数模转换模块2输出的控制信号为差分模式的控制信号，用于控制量子处理器的控制信号为单端信号需要对差分控制信号进行处理，在具体应用的时候，所述变压器模块3包括巴伦变压器。通过巴伦变压器对差分控制信号进行处理，并输出单端控制信号，一方面满足量子处理器的控制信号需求，另一方面，可以提高单端控制信号的抗干扰能力，便于长距离传输至量子处理器。
37.巴伦变压器输出的单端控制信号需要传输至量子处理器，对于巴伦变压器输出端的阻抗匹配进行设置，所述巴伦变压器的输出端的阻抗为50欧姆，避免单端控制信号在传输过程中发生反射，确保输出的单端控制信号的精度。
38.此外，数模转换模块2输出的差分控制信号的功率和频率依据量子处理器的需求设定，在选择巴伦变压器时，根据差分控制信号的功率和频率关系选择s参数符合要求的巴伦变压器。
39.如附图3所示，本技术的各功能模块在具体实施时，所述中控模块1、所述数模转换模块2及所述变压器模块3均集成于一pcb板5上，并采用pcb板5上的信号传输线通信连接。通过在pcb板5设定区域集成中控模块1、各数模转换模块2、及各变压器模块3，并在pcb板5上布局各信号传输线用于通信连接，不仅易于集成和扩展，还可以通过对信号传输线的布局进行设置，降低信号串扰，提高输出的控制信号的精度。
40.此外，继续如附图3所示，在本技术实施例中，对于变压器模块3输出的单端控制信号进行输出时，信号发生器还包括位于所述pcb板5上的若干信号连接器4，各所述信号连接器4分别电连接一所述变压器模块3，用于输出所述单端控制信号。具体的，每一个信号发生器电连接一个变压器模块3，输出一路控制信号；各信号发生器的内导体电连接变压器模块3的输出端，用于输出单端控制信号；此外，并将信号发生器的外导体连接pcb板5上的地，便于将信号连接器4电连接量子处理器的测控线路中静电消除。
41.在一些实施例中，信号连接器4可以选用sma连接器、smp连接器、以及其他便于在pcb板5上集成固定的连接器。
42.此外，变压器模块3的输出端通过50纳法电容电连接信号连接器4，结合变压器模块3的输出端50欧姆的阻抗匹配，提高输出的单端控制信号的抗干扰能力和保真度。
43.本技术的信号发生器输出多路单端控制信号，采用多个变压器模块3和多个信号连接器4，且每一个信号连接器4电连接一个变压器模块3。在一些实施例中，所述pcb板5上电连接所述变压器模块3与对应的所述信号连接器4的各信号传输线等长。当量子处理器上多个量子位执行量子计算任务，需要对多个量子位同时进行操控时，需要信号发生器输出的多个单端控制信号具有同步性。通过对pcb板5上电连接所述变压器模块3与对应的所述信号连接器4的各信号传输线进行等长设置，确保各信号连接器4可以同步输出单端控制信号。
44.在其他一些实施例中，pcb板5上电连接所述变压器模块3与对应的所述信号连接器4的各信号传输线之间的长度差在1密耳左右也可以满足量子处理器的控制同步需求。
45.在其他一些实施例中，可以对pcb板5上电连接所述变压器模块3与对应的所述信
号连接器4的各信号传输线的参数进行设置，使得信号传输线的阻抗为50欧姆，确保变压器模块3与对应的所述信号连接器4之间的阻抗为50欧姆，提高单端控制信号的保真度，进而提高单端控制信号的精度。基于同一申请构思，本技术实施例还提供一种量子控制系统，包括如任一项所述的信号发生器。在具体实施时，中控模块1、数模转换模块2、变压器模块3的数量可以扩展，匹配更多位的量子处理器的控制需求。扩展时，可以在一块pcb上扩展；也可以采用多块pcb板5，此时每一块pcb板5上都集成中控模块1、数模转换模块2、变压器模块3，并将多块pcb板5上的中控模块1之间相互通信连接，确保多块pcb板5上变压器模块3输出控制信号的同步，进而实现对量子处理器上各量子位的操控同步。
46.基于同一申请构思，本技术实施例还提供一种量子计算机，包括如上所述的一种量子控制系统、及量子处理器；所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的控制信号执行量子运算。对量子处理器进行操控的脉冲信号通常由信号发生器提供，在量子控制系统内集成信号发生器、电压源、微波源等功能器件，为量子处理器提供执行量子运算需要的各种控制信号，并提供对量子处理器的运算结果进行测量的测量信号。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
48.上述仅为本技术的优选实施例而已，并不对本技术起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本技术的技术方案的范围内，对本技术揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本技术的技术方案的内容，仍属于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种信号发生器，其特征在于，包括：中控模块，输出若干并行的信号数据；数模转换模块，连接所述中控模块，用于依据接收的所述信号数据输出对应的差分控制信号；若干变压器模块，连接所述数模转换模块，用于对所述差分控制信号进行处理，输出单端控制信号。2.如权利要求1所述的信号发生器，其特征在于，所述中控模块与所述数模转换模块之间通过串行器和解串器接口传输所述信号数据。3.如权利要求2所述的信号发生器，其特征在于，所述串行器和所述解串器接口传输差分形式的信号数据。4.如权利要求1所述的信号发生器，其特征在于，所述变压器模块包括巴伦变压器。5.如权利要求4所述的信号发生器，其特征在于，所述巴伦变压器的输出端的阻抗为50欧姆。6.如权利要求1所述的信号发生器，其特征在于，所述中控模块、所述数模转换模块及所述变压器模块均集成于一pcb板上。7.如权利要求6所述的信号发生器，其特征在于，还包括位于所述pcb板上的若干信号连接器，各所述信号连接器分别电连接一所述变压器模块，用于输出所述单端控制信号。8.如权利要求7所述的信号发生器，其特征在于，所述pcb板上电连接所述变压器模块与对应的所述信号连接器的各信号传输线等长。9.一种量子控制系统，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的信号发生器。10.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求9所述的一种量子控制系统、及量子处理器；所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的控制信号执行量子运算。

技术总结
本申请属于量子测控技术领域，公开了一种信号发生器、量子控制系统及量子计算机，信号发生器包括中控模块，输出若干并行的信号数据；数模转换模块，连接所述中控模块，用于依据接收的所述信号数据输出对应的差分控制信号；若干变压器模块，连接所述数模转换模块，用于对所述差分控制信号进行处理，输出单端控制信号。本申请能提高对量子处理器上各量子位的操控精度。控精度。控精度。


技术研发人员：请求不公布姓名 请求不公布姓名 孔伟成
受保护的技术使用者：本源量子计算科技（合肥）股份有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/8