CN109217939A

CN109217939A - 用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备

Info

Publication number: CN109217939A
Application number: CN201810639208.6A
Authority: CN
Inventors: 相梁; 张贞兴; 王腾辉; 尹艺
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-01-15
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: CN109217939B

Abstract

该发明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。

Description

用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备

技术领域

本发明属于量子调控领域，具体涉及一种用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，该设备是用于可扩展的量子比特芯片的测量、反馈控制的微波设备。

背景技术

随着微加工工艺和量子信息技术的成熟，怎样精确地观测和控制人造量子体系成为学界和工业界竞相研发的重点。量子调控的对象是超导量子比特芯片，该芯片工作在低温的环境中而保持材料的超导状态(约20m kelvin)，芯片上集成了若干量子比特(quantumbit以下简称qubit)。每个qubit是一个人造的二能级量子系统，通过精确调节输入芯片的电磁场的频率、幅度和相位，可以控制qubit使之处于任意的量子状态；通过采集和分析探测电磁场脉冲的所携带的信息，可以测量当前的量子状态。借助量子调控技术，可以研究量子物理学的关键问题，对难以计算的物理体系做出精确模拟。其中，反馈调控技术更是可以为将来的多比特量子处理器提供纠错能力，推进通用量子计算机的研制。另外，该技术可以直接应用到电磁波的空间传播与控制领域，精确地调整空间中电磁场的分布，也可应用于金刚石NV色心等人工量子体系的反馈控制。

单qubit的反馈调控指的是，先测量qubit的状态，根据得到的测量结果产生一组微波脉冲，来校正这个qubit的状态误差。这组微波脉冲包括：x和y控制脉冲，通过正交调制的方式产生在3-12GHz的高频信号，z脉冲则直接通过基带信号产生。反馈延时定义为从设备测量结束的时刻(即采样获得最后一个测量信号)，到开始输出反馈控制信号所经历的时间。

然而，量子态极其脆弱，容易受到热噪声、环境耦合电磁辐射等的干扰，现有的qubit的量子态寿命仅仅能维持几十个微秒。为了操作qubit使其尽快地保持到一个确定的状态，量子反馈控制的方法被用于初始化一个qubit，由于量子态的寿命极短，这就需要极短的时间内采集、处理、和判断测量结果，并迅速产生校正微波，所以对测量精度、控制精度、反馈时间延迟的要求极为苛刻。文献(R.Vijay et al.,“Stabilizing Rabioscillations in a superconducting qubit using quantum feedback,”Nature,vol.490,no.7418,p.77,2012.)中提到了单比特的反馈控制，即通过给qubit反馈脉冲，使之保持Rabi振荡，但是其测量结果为模拟信号，对qubit控制的精度和自由度都受限于模拟器件，难以对qubit进行精确的调控。文献(D.Ristè and L.DiCarlo,“Digital feedbackin superconducting quantum circuits,”arXiv:1508.01385,2015.)及(Cramer,J.,Kalb,N.,Rol,M.A.,Hensen,B.,Blok,M.S.,Markham,M.,…Taminiau,T.H.(2016).Repeated quantum error correction on a continuously encoded qubit by real-time feedback.Nature Communications,7(May),1–7.)中通过商用微处理器设备ADwinPro II来对量子态的测量结果进行分析和反馈响应，虽然能够将测量结果数字化；但是反馈延迟大于1us，难以保证调控的精度。

可扩展的量子反馈调控指的是，在系统的有效寿命之内，同时测量多个qubit的状态，测量的次数可以是一次也可以是多次，然后根据测量的结果，运行一系列量子态处理算法来生成作用于多qubit的反馈信号，最后对多qubit体系完成闭环的量子调控。

随着量子纠错算法的提出，量子计算对反馈调控设备的可扩展性和算法灵活度有了更多要求，亟需可以同时控制数十个乃至上百个比特且能够快速执行反馈调控的微波设备。根据量子力学基本原理，每次对量子态的完全观测都会导致该量子态坍缩到一个确定的测量算符的能量本征态。为了在测控的过程中保持目标比特的量子态不会破坏，学术界提出了两种可行的方法：一种是对单比特进行”弱测量”，即精细地控制测量脉冲的时间和长度，得到一部分有用的信息而尽可能减少对qubit的扰动，但现有报道中虽有通过对测量强度的调节和测量时间窗口的调整，在计算机上分析弱测量，但是没有做到实时地处理得到的数字信号和反馈控制；另一种是对多个比特进行编码，通过测量辅助的qubit，达到不破坏逻辑qubit的状态而同时对其状态做反馈校准。但是该技术是局限在单比特范围，没有扩展到多比特的反馈控制。另一方面，量子调控的商业仪器功能单一，如美国泰克公司的AWG7000系列任意波形发生器，瑞士苏黎世仪器的UHF数字转换器套装，仅仅支持调控波形的产生和简单的条件触发功能，反馈延时大于500ns，方案也无法适用于超过20个qubit的量子调控。

众多研究表明，基于微波测控技术的量子反馈调控具有精度高，延时小等优点，但是通过对现有文献和公开资料的调研发现，多数研究只是针对单比特单次测量的反馈控制，而还未见到针对多比特系统进行多次的参数可控的测量的反馈控制。而适用于多比体系的量子反馈控制，要求将数据采集、量子测量判断、量子反馈算法、以及波形同步和低延迟信号分发等技术紧密结合。因此，实现可扩展、低延迟、支持多种反馈控制算法的量子调控设备技术难度极大。本发明从易用性、可扩展性、算法普适性、反馈速度而言，皆为国际领先。作为独立的创新成果，能够实现对多个量子比特的反馈纠错，这为将为大规模容错量子计算机提供有力的测控技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，该设备是一套基于FPGA和高速电路的可扩展量子反馈调控设备，基于自主设计和制作的硬件电路平台，利用FPGA器件的对大规模并行数据的处理能力和对算法的硬件加速能力，不仅能够在极短的延迟(～70ns)内实现精确的单量子比特反馈控制，还可实现最大延时约100ns的多量子比特反馈调控。

本发明的技术方案如下：

一种用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，包括：由1000M以太网PHY模块、FPGA、两个FMC高速数据接口、同步/反馈信号收发模块、测量结果传递模块、电源模块和时钟锁相电路、射频前端构成的主模块以及三块扩展子模块；三块扩展子模块包括控制信号发送模块、测量信号发送模块和测量信号接收模块；各模块具体如下：

1000M以太网PHY模块：以太网数据帧格式符合IEEE Std 802.3-2008协议，该模块负责把以太网物理层数据转换到MAC层，并发送到FPGA(现场可编程门阵列芯片)；FPGA：负责接收从1000M以太网PHY模块传入的信息，并实现：

①存储控制信号或测量信号的数字波形，并将其通过FMC高速数据接口发送至控制信号发送模块或测量信号发送模块；

②通过FMC高速数据接口接收测量信号接收模块产生的数字测量信号，并对其进行实时解调，得到测量结果；

③用于产生同步信号，并部署有量子反馈算法，根据测量结果产生反馈信号；所述的量子反馈算法可以是已有的基于测量的量子反馈控制算法中的任一种，如马尔可夫量子反馈控制算法、含时延的非马尔可夫量子反馈控制算法、贝叶斯量子反馈控制算法。

高速数据接口：负责桥接主设备和扩展模块之间的数据流，并为子模块提供电源和同步时钟，保证了该设备主模块和子模块之间稳定、低延迟的数据传输；

控制信号发送模块：该模块可拔插，负责接收从高速数据接口传递的调控信号的数字波形，并把数字信号转换成1GSPS的模拟信号；该模块可输出X、Y、Z 3路独立的基带信号，作为输入射频前端的中频信号；

测量信号发送模块：该模块可拔插，负责接收从高速数据接口传递的测量信号的数字波形，并把数字信号转换成1.6GSPS的模拟信号，该模块可输出I、Q 2路独立的基带信号，作为输入射频前端的中频信号；

测量信号接收模块：该模块可拔插，负责接收从射频前端输出的中频测量信号，并把模拟信号转换成1.6GSPS的数字基带信号；该模块可接收I、Q 2路独立的基带信号并传递给高速数据接口；

同步/反馈信号收发模块：负责产生/接收/转发板间的同步信号与反馈信号，在组网时，接收上一级设备产生的同步信号或反馈信号，经FPGA中转后，转发至下一级设备；同步/反馈信号收发模块是基于1000Base-T以太网的物理层协议，每个模块包括2个RJ45连接器，每个连接器与一个组网设备相连，支持同时接收和发送两路信号，连接器之间经FPGA进行信号中转；

测量结果传递模块：负责传递测量设备解调得到的正交信号值，在组网时，接收上一小组的测量结果，将其与本小组测量结果合并后，再传递至下一小组，实现小组间的测量结果的共享，测量结果传递模块是基于高速互联接口GTX，每个传递模块含有两组通信引脚，分别与上、下相邻的测量设备相连，每组通信引脚包含两个接收差分对和两个发送差分对；

电源模块和时钟锁相电路：电源模块负责产生设备稳定工作所需要的电压源；时钟锁相电路负责产生子模块工作所需的采样时钟、以及产生FPGA产生同步信号所需的参考时钟，该模块用于保证控制和测量波形的稳定以及精确的时间同步；

射频前端：为通用的射频前端，包括滤波器、混频器、主时钟和商用微波源，提供测控设备共享的主时钟，提供频率可调的载波。

上述设备可实现的工作(扩展)方式有如下几种：

1)工作在调控模式：在主模块上同时装备两个控制信号发送模块作为控制设备；每台设备可输出6路独立的基带信号，作为2个qubit的xyz调控信号。使用同步/反馈信号收发模块中的两个连接器，将多台设备依次串联成一条链，同步信号由链首的设备1产生，依次传递到链尾的设备m，如此‘横向扩展’成为控制小组。m台设备共可完全控制2m个量子比特，从而实现可扩展的量子调控。

2)工作在测量模式：在主模块上同时装备测量信号发送模块和测量信号接收模块作为测量设备；多台设备通过同步/反馈信号收发模块‘纵向扩展’，成为多通道同时收发的测量小组,实现可扩展的量子测量。每台设备可精确输出并采集2路正交的测量脉冲，有效中频带宽达到1.6GHz，最多可同时采集/记录100个比特的测量结果。

3)工作在单比特快速反馈模式：采用两台设备组合，其中第一台设备装备测量信号发送模块，第二台设备装备控制信号发送模块和控制信号发送模块；第一台设备负责产生测量脉冲，第二台设备负责采集测量信号，并产生qubit状态的测量结果，然后通过反馈算法做出反馈控制响应。由于反馈信号直接从FPGA器件内部的电路产生并接收，在反馈环路中避免了外部信号线的延迟，因此单比特量子反馈控制延迟可以压缩到最小的71ns。

4)工作在小组反馈控制模式：在主模块上同时装备两个控制信号发送模块作为控制设备；在主模块上同时装备测量信号发送模块和测量信号接收模块作为测量设备；使用同步/反馈信号收发模块中的两个连接器，将多台控制设备依次串联成一条链，同步信号由链首的控制设备1产生，依次传递到链尾的控制设备m，在控制链尾即第m台控制设备上再串联一台编号为0的测量设备，测量设备通过同步/反馈信号收发模块实现测量和控制信号的同步发送；每台测量设备的一次测量会得到该组内所控制的2m个qubit的状态，其中，每一次完全测量时间内，该设备还可以进行j次‘弱测量’，共产生j*2m个测量结果。测量设备根据所测量qubit的状态，产生反馈控制信号，信号沿着同步链路的反方向依次传递到链首。反馈控制信号帧格式为可变长度串行比特流，控制位长度为m bits，同样地，测量设备通过同步/反馈信号收发模块实现测量和控制信号的同步发送；

5)工作在组网反馈控制模式：在以小组反馈控制模式方式工作的反馈小组基础上，纵向扩展n行同样的反馈小组，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，其数据输入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，最终实现可扩展的量子体系的反馈调控。每小组中测量设备的反馈信号由FPGA模块上部署的反馈算法产生。

本发明的有益效果是：

1)实现了业界最低延迟(71ns)的单比特量子反馈控制。

2)可扩展到更大规模的量子比特体系，并将最大反馈延迟控制在100ns左右。能为在多比特体系运行的基于测量的量子纠错算法提供测控平台。

3)测量设备可控制每次测量的次数、时间、强弱。可在一次完全测量周期内，执行若干次‘不完全测量’，即支持基于‘弱测量’的量子反馈控制。

4)采用模块化设计，每台设备由一个主模块和若干个可拔插的子模块构成，根据功能需求，可实现5种不同的组合模式。扩展方式灵活高效，成本低。

5)使用千兆以太网控制设备、获取测量信息，每台设备可接入网络服务器，方便用户远程控制。

附图说明

图1为本发明设备的结构组成示意图。

图2为本发明工作在模式(1)～(4)的设备连接示意图。

图3为本发明工作在模式(5)的设备连接示意图。

图4为本发明设备在几种不同反馈工作模式下的量子反馈测量-控制信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明设备的硬件电路部分组成，包括：

1000M以太网PHY模块：以太网数据帧格式符合IEEE Std 802.3-2008协议，该模块负责把以太网物理层数据转换到MAC层，并发送到FPGA；

FPGA：负责接收从1000M以太网PHY模块传入的信息，并实现：

③用于产生同步信号，并部署有量子反馈算法，根据测量结果产生反馈信号；

控制信号发送模块：该模块可拔插，负责接收从高速数据接口传递的调控信号的数字波形，并把数字信号转换成1GSPS的模拟信号；该模块可输出X、Y、Z 3路独立的基带信号，作为输入射频前端的中频信号；该模块可采用ADI公司生产的DAC芯片AD9736实现；

测量信号发送模块：该模块可拔插，负责接收从高速数据接口传递的测量信号的数字波形，并把数字信号转换成1.6GSPS的模拟信号，该模块可输出I、Q 2路独立的基带信号，作为输入射频前端的中频信号；该模块可采用ADI公司生产的DAC芯片AD9739实现；

测量信号接收模块：该模块可拔插，负责接收从射频前端输出的中频测量信号，并把模拟信号转换成1.6GSPS的数字基带信号；该模块可接收I、Q 2路独立的基带信号并传递给高速数据接口；该模块可以采用Teledyne e2v公司生产的ADC芯片EV10AQ190A实现；

电源模块和时钟锁相电路：电源模块负责产生设备稳定工作所需要的电压源；时钟锁相电路负责产生子模块工作所需的采样时钟、以及产生FPGA产生同步信号所需的参考时钟，可以采用ADI公司推出的低抖动的时钟生成方案(Phase Locked loop)。该模块用于保证控制和测量波形的稳定以及精确的时间同步；

该设备应用时，可以通过对子模块的选择，以及将多台设备组合，使其可以实现五种工作模式，具体是：

工作(扩展)方式：

1)工作在调控模式：主模块同时装备两个子模块4作为控制设备。每台设备可输出6路独立的基带信号，作为2个qubit的x y z调控信号。使用模块7中的两个连接器，多台设备依次串联成一条链，同步信号由链首的设备1产生，依次传递到链尾的设备m，如此‘横向扩展’成为控制小组。m台设备共可完全控制2m个量子比特，从而实现可扩展的量子调控。

2)工作在测量模式，主模块同时装备子模块5和子模块6作为测量设备。每台设备可精确输出并采集2路正交的测量脉冲，有效中频带宽达到1.6GHz，最多可同时采集/记录100个比特的测量结果。最终通过模块1将原始采样波形或测量结果发送到网络，供用户获取。多台设备通过模块7‘纵向扩展’，成为多通道同时收发的测量小组，实现可扩展的量子测量。

3)两台设备组合，工作在单比特快速反馈模式，其中1设备装备子模块5，2设备装备子模块4和子模块6。1设备负责产生测量脉冲，2设备负责采集测量信号，并产生qubit状态的测量结果，然后通过反馈算法快速做出反馈控制响应，由于反馈信号直接从FPGA器件内部的电路产生并接收，在反馈环路中避免了外部信号线的延迟，因此单比特量子反馈控制延迟可以压缩到最小的71ns。

4)工作在小组反馈控制模式。组合方式为：在以模式1)方式扩展的控制链尾，第m台控制设备再串联一台编号为0的测量设备(即模式2)的设备)。每台测量设备的一次测量会得到该组内所控制的2m个qubit的状态，其中，每一次完全测量时间内，该设备还可以进行j次‘弱测量’，共产生j*2m个测量结果。测量设备会根据所测量qubit的状态，产生反馈控制信号，信号沿着同步链路的反方向依次传递到链首。反馈控制信号帧格式为可变长度串行比特流，控制位长度为m bits。同样地，测量设备通过模块7实现测量和控制信号的同步发送；

5)工作在组网反馈控制模式。组合方式为：在以模式4)方式横向扩展的反馈小组基础上，纵向扩展n行同样的工作组。第n行输入设备1的同步信号由第n-1行的设备0产生，逐行传递。每行通过设备0测量2*m个qubit的状态，产生反馈信号并控制其余设备输出反馈基带信号，通过射频前端，发射微波脉冲，调控2*m个qubit。

其中，每行测控设备的反馈信号是通过其FPGA模块上部署的反馈控制器产生。不同于模式4)的单组反馈算法，工作在组网反馈模式下的每一个测量设备，其算法的数据输入是网络中所有测量设备得到的结果。测量设备的测量结果通过模块8依次接力分发，实现小组间的共享，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。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，最终实现可扩展的量子体系的反馈调控。

本设备实现可扩展的快速反馈调控的关键是对微波基带信号收发时间的协同控制。其中，数字波形信息和控制命令预先通过以太网指令发送到每一台设备中。定义以太网数据传输方式如下：

本发明每台设备拥有一个MAC地址，设备的外部数据通过以太网传送，速度达到1Gbps，既适用于个人PC控制，又适用于通过远程云端调用。该命令基于标准的网络帧格式(IEEE Std 802.3-2008协议)，数据发送的顺序从左向右，如下表：

Data部分为本发明中定义的网络控制指令集和数据传输协议，有以下5种。

1)设备配置命令(设备输入)，字长100，用于设定控制寄存器，以及查询设备中电路板的工作状态

2)波形数据写入命令(设备输入)，字长1028，用于写入调控波形的数据

3)控制数据写入命令(设备输入)，字长516，用于写入控制数据。控制数据包括了定义用于控制测量信号输出/输入的“测量采样触发表”以及用于控制反馈控制信号输出的“控制波形码字表“

4)设备应答信息(设备输出)，字长80，用于返回设备的状态

5)测量数据(设备输出)，字长1026，用于返回量子比特的测量结果

在组网反馈控制模式工作时，根据功能，所有组网的调控设备可以分为两类：测量设备和控制设备，为了方便地定义测量设备和控制设备的输入输出时序，使其协同工作，分别定义测量设备的测量采样触发表；以及控制设备的控制波形码字表：对于测量采样触发表，可以定义其参数如下：

地址	重复次数	采样延迟	采样时间	判定参数1	判定参数2
						0×0000	N<sub>M1W1</sub>	T<sub>M1G1</sub>	T<sub>M1L1</sub>	P1<sub>M1W1</sub>	P2<sub>M1W1</sub>
…
						j-1	N<sub>M1Wj</sub>	T<sub>M1Gj</sub>	T<sub>M1Lj</sub>	P1<sub>M1Wj</sub>	P2<sub>M1Wj</sub>
j	N<sub>M2W1</sub>	T<sub>M2G1</sub>	T<sub>M2L1</sub>	P1<sub>M2W1</sub>	P2<sub>M2W1</sub>
						…
i<sup>＊</sup>j-1	N<sub>MiWj</sub>	T<sub>MiGj</sub>	T<sub>MiLj</sub>	P1<sub>MiWj</sub>	P2<sub>MiWj</sub>

表中每一项(地址)有5个参数，其中，N_MiWj为第i次完全测量过程中，第j次弱测量重复的次数；T_MiGj，T_MiLj分别为第i次完全测量过程中第j次弱测量的等待延迟时间和测量采样时间；P1_MiWj，P2_MiWj为第i次完全测量过程中第j弱测量的判定参数。这些参数可根据具体的调控方案所要求的测量信号进行设定；每一项运行结束后，测量设备得到并共享测控网中所有2*m*n个qubit的测量结果。

对于控制波形码字表，可以定义其参数如下：

地址	指令类型	起始地址	结束地址	等待时间	跳转参数
						0×0000	M<sub>C0s1</sub>	A<sub>C0B1</sub>	A<sub>C0E1</sub>	T<sub>C0D1</sub>	P<sub>C0s1</sub>
…
						j-1	M<sub>C0sj</sub>	A<sub>C0Bj</sub>	A<sub>C0Ej</sub>	T<sub>C0Dj</sub>	P<sub>C0sj</sub>
j	M<sub>C1s1</sub>	A<sub>C1B1</sub>	A<sub>C1E1</sub>	T<sub>C1D1</sub>	P<sub>C1s1</sub>
						…
2<sup>＊</sup>j	M<sub>C2s1</sub>	A<sub>C2B1</sub>	A<sub>C2E1</sub>	T<sub>C2D1</sub>	P<sub>C2s1</sub>
						…
i<sup>＊</sup>j-1	M<sub>Cisj</sub>	A<sub>CiBj</sub>	A<sub>CiEj</sub>	T<sub>CiDj</sub>	P<sub>Cisj</sub>

码字表的每一个项目(地址)有5个参数，其中M_Cisj为码字指令类型，它定义了第i组控制过程内，编号为j的控制分支的跳转方式(例如，规定设备是顺序执行表格中的项目，还是跳转到特定的地址)；A_CiBj/A_CiEj分别为该分支执行时，数字波形的起始地址和结束地址；T_C0D1为控制波形输出结束之后的等待时间；P_CiSj为跳转参数，该参数和M_Cjsj以及反馈信号一起输入跳转地址生成器g。同样的，这些参数可根据具体量子调控方案所要求的反馈控制信号进行设定。

在一次反馈实验的开始，控制设备从波形码字跳转表的0地址开始执行；同时，测量设备从测量采样触发表的0地址顺序执行，表中每一个项目规定了测量信号的发送/接收控制时序，测量结束后，测量设备根据0地址的判定参数P，产生测量结果。然后，测量结果经过反馈算法处理，生成了每个qubit的反馈控制信号(0/1)，并依次传递到控制设备。

对反馈控制器f的输入输出形式定义如下：

FB_ij=f(Q_i11,Q_i12,…,Q_i1k,…Q_ijk,…Q_ijl)={F_ij1,F_ij2,…,F_ijk}

在实际的基于反馈控制的量子纠错算法中，需要用k个物理比特作为辅助比特，保护l个逻辑比特。其中，Q_ijk是第i次完全测量时间内，第j次弱测量，数字解调之后得到的含有第k个qubit状态信息的测量结果；FB_ij为第i次完全测量时间内，第j次弱测量的结果经过反馈控制器f运算后得到的矢量反馈信号，其分量k对应第k个qubit，反馈信号F_ijk={0,1}。

控制设备接收到反馈信号后，由跳转地址生成器g产生码字表的下一个地址，并执行该地址的项目。第k个qubit的地址控制运算定义为：

addr_cisjQk=g(M_cisj,P_cisj,F_ijk)

图4为本发明设备在几种不同反馈工作模式下的量子反馈测量-控制信号时序图，可以看出在不同的反馈工作模式下，其反馈延迟不同，但反馈延迟均由五部分构成，反馈延时包括：

测量/控制信号产生的硬件延迟T1D＝41ns(模式3、4、5)

测量信号采样的硬件延迟T2D＝9.7ns(模式3、4、5)

波形解调延时T3D＝20ns(模式3、4、5)

反馈算法延时T4D＝0ns(模式3)；T4D＝20ns(模式4，模式5，典型值)反馈信号延迟TLD＝0ns(模式3)；TLD＝i*4ns(模式4，模式5，其中i＝0,1,2…,m)

对于模式3，即单比特快速反馈调控，设备的反馈延时合计为71ns。

对于模式4、5，即多比特反馈调控，设备的根据所部署反馈算法，以及控制设备编号的不同，反馈延时可以达到100ns左右。

Claims

1.一种用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，其特征在于，包括：由1000M以太网PHY模块(1)、FPGA(2)、两个FMC高速数据接口(3)、同步/反馈信号收发模块(7)、测量结果传递模块(8)、电源模块和时钟锁相电路(9)、射频前端(10)构成的主模块以及三块扩展子模块；三块扩展子模块包括控制信号发送模块(4)、测量信号发送模块(5)和测量信号接收模块(6)；各模块具体如下：

1000M以太网PHY模块(1)：以太网数据帧格式符合IEEE Std 802.3-2008协议，该模块负责把以太网物理层数据转换到MAC层，并发送到FPGA(1)(现场可编程门阵列芯片)；

FPGA(2)：负责接收从1000M以太网PHY模块(1)传入的信息，并实现：

①存储控制信号或测量信号的数字波形，并将其通过FMC高速数据接口(3)发送至控制信号发送模块(4)或测量信号发送模块(5)；

②通过FMC高速数据接口(3)接收测量信号接收模块(6)产生的数字测量信号，并对其进行实时解调，得到测量结果；

高速数据接口(3)：负责桥接主设备和扩展模块之间的数据流，并为子模块提供电源和同步时钟，保证了该设备主模块和子模块之间稳定、低延迟的数据传输；

控制信号发送模块(4)：该模块可拔插，负责接收从高速数据接口(3)传递的调控信号的数字波形，并把数字信号转换成1GSPS的模拟信号；该模块可输出X、Y、Z 3路独立的基带信号，作为输入射频前端(10)的中频信号；

测量信号发送模块(5)：该模块可拔插，负责接收从高速数据接口(3)传递的测量信号的数字波形，并把数字信号转换成1.6GSPS的模拟信号，该模块可输出I、Q 2路独立的基带信号，作为输入射频前端(10)的中频信号；

测量信号接收模块(6)：该模块可拔插，负责接收从射频前端(10)输出的中频测量信号，并把模拟信号转换成1.6GSPS的数字基带信号；该模块可接收I、Q 2路独立的基带信号并传递给高速数据接口(3)；

同步/反馈信号收发模块(7)：负责产生/接收/转发板间的同步信号与反馈信号，在组网时，接收上一级设备产生的同步信号或反馈信号，经FPGA(2)中转后，转发至下一级设备；同步/反馈信号收发模块(7)包括2个RJ45连接器，每个连接器与一个组网设备相连，支持同时接收和发送两路信号，连接器之间经FPGA(2)进行信号中转；

测量结果传递模块(8)：负责传递测量设备解调得到的正交信号值，在组网时，接收上一小组的测量结果，将其与本小组测量结果合并后，再传递至下一小组，实现小组间的测量结果的共享，测量结果传递模块(8)基于PCIe的电器接口标准，每个传递模块含有两组通信引脚，分别与上、下相邻的测量设备相连，每组通信引脚包含两个接收差分对和两个发送差分对；该模块的信息通过FPGA的高速串行收发器GTX传递；

电源模块和时钟锁相电路(9)：电源模块负责产生设备稳定工作所需要的电压源；时钟锁相电路负责产生子模块工作所需的采样时钟、以及产生FPGA产生同步信号所需的参考时钟，该模块用于保证控制和测量波形的稳定以及精确的时间同步；

射频前端(10)：为通用的射频前端，包括滤波器、混频器、主时钟和商用微波源，提供测控设备共享的主时钟，提供频率可调的载波。

2.根据权利要求1所述的用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，其特征在于，工作在调控模式：在主模块上同时装备两个控制信号发送模块(4)作为控制设备；使用同步/反馈信号收发模块(7)中的两个连接器，将多台设备依次串联成一条链，同步信号由链首的设备1产生，依次传递到链尾的设备m，如此‘横向扩展’成为控制小组。

3.根据权利要求1所述的用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，其特征在于，工作在测量模式：在主模块上同时装备测量信号发送模块5)和测量信号接收模块6)作为测量设备；多台设备通过同步/反馈信号收发模块(7)‘纵向扩展’，成为多通道同时收发的测量小组。

4.根据权利要求1所述的用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，其特征在于，工作在单比特快速反馈模式：采用两台设备组合，其中第一台设备装备测量信号发送模块(5)，第二台设备装备控制信号发送模块(4)和控制信号发送模块(6)；第一台设备负责产生测量脉冲，第二台设备负责采集测量信号，并产生qubit状态的测量结果，然后通过反馈算法做出反馈控制响应。

5.根据权利要求1所述的用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，其特征在于，工作在小组反馈控制模式：在主模块上同时装备两个控制信号发送模块(4)作为控制设备；在主模块上同时装备测量信号发送模块5)和测量信号接收模块6)作为测量设备；使用同步/反馈信号收发模块(7)中的两个连接器，将多台控制设备依次串联成一条链，同步信号由链首的控制设备1产生，依次传递到链尾的控制设备m，在控制链尾即第m台控制设备上再串联一台编号为0的测量设备，测量设备通过同步/反馈信号收发模块(7)实现测量和控制信号的同步发送；而测量设备根据所测量qubit的状态，产生反馈控制信号，信号沿着同步链路的反方向依次传递到链首。

6.根据权利要求1所述的用于量子比特的可扩展、低延迟反馈调控设备，其特征在于，工作在组网反馈控制模式：在以小组反馈控制模式(5)方式工作的反馈小组基础上，纵向扩展n行同样的反馈小组，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(8)依次接力分发，小组间共享；每小组中测量设备的反馈信号由FPGA模块上部署的反馈算法产生。