CN110380791A - 一种目标频段量子比特逻辑信号的生成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，第一混频器对基带信号和第一本振信号进行混频得到第一混频信号，第一信号处理模块对第一混频信号进行滤波和放大处理，第二混频器对处理后的第一混频信号和第二本振信号进行混频得到第二混频信号，第二信号处理模块对第二混频信号进行滤波和放大处理，处理后的第二混频信号即为量子比特逻辑信号。与现有技术相比，本发明提供的目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，不仅能够有效地滤除调制混频中产生的信号泄露和镜像，满足超导量子比特对单量子比特操作所需逻辑信号的频率的指定精度要求，而且能够实现目标频段量子比特逻辑信号及所需的硬件资源的方便配置和有效利用。
Description
技术领域
本发明涉及量子比特技术领域，更具体地说，涉及一种目标频段量子比 特逻辑信号的生成系统。
背景技术
量子比特是量子芯片的核心，通过对量子比特的编码，能够实现性能远 超经典计算机算法的量子算法。其中，对量子比特的编码是通过外加逻辑信 号实现的，与经典比特所需的逻辑信号是高低电平的数字信号不同，量子比 特所需的逻辑信号是模拟脉冲信号。
现有技术公开了一种产生量子比特逻辑信号的方法，其采用正交调制技 术对基带信号产生器产生的基带信号进行调制，以得到量子比特逻辑信号， 其中，基带信号包含量子比特逻辑门操作所需的调制编码信息，即包含对量 子比特编码所需的调制编码信息。但是，在采用正交调制技术对基带信号进 行调制混频的过程中会产生信号泄露和镜像，导致生成的逻辑信号的质量较 差，不能满足量子比特尤其是超导量子比特对单量子比特操作所需逻辑信号 的精度要求。
现有技术申请号2018108830780，申请日2018年08月06日，名称“一 种量子比特逻辑信号的生成系统和方法”的专利文献提供了一种量子比特逻 辑信号的生成系统，包括基带信号生成模块、第一本振信号生成模块、第一 混频器、第一信号处理模块、第二混频器、第二本振信号生成模块和第二信 号处理模块；在工作的时候，通过第一混频器和第二混频器进行信号混频处 理，通过第一信号处理模块和第二信号处理模块对每次混频得到的信号进行 处理。但是该系统在获得目标频段的量子比特逻辑信号时，存在诸多不足。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种目标频段量子比特逻辑信号的生成系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，包括基带信号生成模块、 第一本振信号生成模块、第一混频器、第一信号处理模块、第二混频器、第 二本振信号生成模块和第二信号处理模块；
所述基带信号生成模块用于生成基带信号，并将所述基带信号输入所述 第一混频器，所述基带信号包含量子比特逻辑门操作所需的调制编码信息； 所述第一本振信号生成模块用于生成第一本振信号，并将所述第一本振信号 输入所述第一混频器；所述第一混频器用于对所述基带信号和所述第一本振 信号进行混频，并将混频后得到的第一混频信号传输至所述第一信号处理模 块；所述第一信号处理模块用于对所述第一混频信号进行滤波和放大处理， 并将处理后的第一混频信号传输至所述第二混频器；所述第二本振信号生成 模块用于生成第二本振信号，并将所述第二本振信号传输至所述第二混频器； 所述第二混频器用于对所述处理后的第一混频信号和所述第二本振信号进行 混频，并将混频后得到的第二混频信号传输至所述第二信号处理模块；所述 第二信号处理模块用于对所述第二混频信号进行滤波和放大处理，并输出处 理后的第二混频信号，且所述处理后的第二混频信号即为量子比特逻辑信号。 其中：所述第一本振信号生成模块和所述所述第二本振信号生成模块具有不 同的工作频率，对应的工作频率大的记为高本振信号生成模块，对应的工作 频率小的记为低本振信号生成模块；所述低本振信号生成模块配置有工作频 率分段的工作档位，各所述工作档位对应的每段工作频率相互不连续；各所 述工作档位对应的每段工作频率的起始值为依次增大的f1,f2,f3......fn，其中n 为分段数量，各所述工作档位对应的每段工作频率的范围均为Δf；所述高本 振信号生成模块的工作频率的范围为[fL，fH]；其中：fH-fL＝fn-fn-1＝.......＝f3-f2＝f2-f1。
优选地，所述基带信号生成模块包括基带信号生成器和第一滤波器；所 述基带信号生成器用于生成基带信号；所述第一滤波器用于抑制所述基带信 号生成器产生的所述基带信号中的高频杂散噪声。
优选地，所述第一本振信号生成模块包括第一本振信号生成器和第一放 大器，所述第一本振信号生成器用于生成第一本振信号，所述第一放大器用 于对所述第一本振信号进行放大处理。
优选地，所述第二本振信号生成模块包括第二本振信号生成器和第二放 大器；所述第二本振信号生成器用于生成第二本振信号，所述第二放大器用 于对所述第二本振信号进行放大处理。
优选的，所述低本振信号生成模块为微波源模块；且所述高本振信号生 成模块为倍频锁相环、DDS模式的高采样率数字模拟转换器之一。
优选的，所述微波源模块包括开关阵列控制的多个微波源芯片；各所述 微波源芯片分别提供一个所述工作档位的工作频段。
优选的，所述高本振信号生成模块的工作频率的范围大于所述低本振信 号生成模块的工作频率的范围，所述高本振信号生成模块的工作频率的步进 等于所述低本振信号生成模块的工作频率的范围，所述高本振信号生成模块 的工作频率的步进等于所述低本振信号生成模块的工作频率的步进的整数 倍。
优选的，fL-fn-Δf-fIF≤量子比特逻辑信号的目标频段的预设最小值； fH-f1-Δf-fIF＞＞量子比特逻辑信号的目标频段的预设最大值；其中：fIF为所 述基带信号的频率。
优选地，所述第一信号处理模块包括第一滤波器阵列和第一放大线路， 所述第一滤波器阵列用于滤除所需的第一混频信号的频段之外的信号；所述 第一放大线路用于对所述第一混频信号进行放大处理。
优选地，所述第一滤波器阵列为开关式带通滤波器阵列；所述第一放大 线路为功放-运放级联放大线路。
优选地，所述第二信号处理模块包括第二滤波器阵列和第二放大线路； 所述第二滤波器阵列用于滤除所需的第二混频信号的频段之外的信号；所述 第二放大线路用于对所述第二混频信号进行放大处理。
优选地，所述第二滤波器阵列为开关式带通滤波器阵列；所述第二放大 线路为功放-运放级联放大线路。
优选地，还包括：调制信号发射端；所述调制信号发射端与所述第二信 号处理模块相连，用于输出处理后的第二混频信号。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明所提供的目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，第一混频器对 基带信号和第一本振信号进行混频得到第一混频信号，第一信号处理模块对 第一混频信号进行滤波和放大处理，第二混频器对处理后的第一混频信号和 第二本振信号进行混频得到第二混频信号，第二信号处理模块对第二混频信 号进行滤波和放大处理，处理后的第二混频信号即为量子比特逻辑信号，在 该系统中，与现有技术相比，本发明提供的目标频段量子比特逻辑信号的生 成系统，不仅能够有效地滤除调制混频中产生的信号泄露和镜像，而且能够 满足超导量子比特对单量子比特操作所需逻辑信号的频率、相位以及幅度的 精度要求。
同时，所述第一本振信号生成模块和所述所述第二本振信号生成模块具 有不同的工作频率，将对应的工作频率大的记为高本振信号生成模块，对应 的工作频率小的记为低本振信号生成模块；所述低本振信号生成模块配置有 工作频率分段的工作档位，各所述工作档位对应的每段工作频率相互不连续； 各所述工作档位对应的每段工作频率的起始值为依次增大的f1,f2,f3......fn， 其中n为分段数量，各所述工作档位对应的每段工作频率的范围均为Δf；所 述高本振信号生成模块的工作频率的范围为[fL，fH]；其中： fH-fL＝fn-fn-1＝.......＝f3-f2＝f2-f1。通过对低本振信号生成模块的工作档位的配置以及 根据高本振信号生成模块的工作频率的范围为[fL，fH]设置低本振信号生成模 块的工作档位，相对低本振信号生成模块和高本振信号生成模块均设置连续 工作频段的配置，本申请：1.不会存在频段冲突和受限问题，以保证得到目标 频段量子比特逻辑信号的需求；2.硬件容易实现，进而保证量子比特逻辑信号 精度；3.信号来源唯一确定，能保证最终生成量子比特逻辑信号的准确度；4. 信号来源唯一确定，能够减少中间过程产生的信号处理占用时间；5.有利于得 到指定精度均得到保证的量子比特逻辑信号，有利于保证量子芯片上的量子 比特操作的保真度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种目标频段量子比特逻辑信号的生成系统 的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种目标频段量子比特逻辑信号的生成系 统的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，如图1 所示，包括基带信号生成模块10、第一本振信号生成模块11、第一混频器12、 第一信号处理模块13、第二混频器14、第二本振信号生成模块15和第二信 号处理模块16。
其中，基带信号生成模块10用于生成基带信号，并将基带信号传输至第 一混频器12，该基带信号包含量子比特逻辑门操作所需的调制编码信息，即 包含对量子比特编码所需的编码信息；第一本振信号生成模块11用于生成第 一本振信号，并将第一本振信号传输至第一混频器12；第一混频器12用于对 基带信号和第一本振信号进行混频，并将混频后得到的第一混频信号传输至 第一信号处理模块13，其中，第一混频信号的频率等于基带信号的频率和第 一本振信号的频率之和；第一信号处理模块13用于对第一混频信号进行滤波和放大处理，并将处理后的第一混频信号传输至第二混频器14；第二本振信 号生成模块15用于生成第二本振信号，并将第二本振信号传输至第二混频器 14；第二混频器14用于对处理后的第一混频信号和第二本振信号进行混频， 并将混频后得到的第二混频信号传输至第二信号处理模块16，其中，第二混 频信号的频率等于第二本振信号的频率与第一混频信号的频率之差；第二信 号处理模块16用于对第二混频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的第 二混频信号，且处理后的第二混频信号即为量子比特逻辑信号。
此外，如图2所示，本发明实施例提供的目标频段量子比特逻辑信号的 生成系统还包括：调制信号发射端17。该调制信号发射端17与第二信号处理 模块16相连，用于输出处理后的第二混频信号，即输出所需的超导量子比特 的单量子比特逻辑门操作对应的模拟脉冲信号即逻辑信号。该模拟脉冲信号 经过生成系统的外部线路传输至超导量子比特的单量子比特控制通道上，以 对超导量子比特的单量子比特进行编码。
本实施例中，基带信号生成模块10包括基带信号生成器和第一滤波器。
基带信号生成器用于生成基带信号，该基带信号包含量子比特逻辑门操 作所需的调制编码信息。超导量子比特的单量子比特逻辑门操作在逻辑上对 应一个旋转操作，需要旋转轴以及旋转角度来精确确定旋转操作的类型。通 常基带信号生成器生成的是200MHz-800MHz的点频脉冲信号，通过脉冲的 初始相位来精确决定旋转轴，通过脉冲的持续时间以及幅度来精确决定旋转 角度。也就是说，根据基带信号生成器生成的点频脉冲信号的初始相位、持 续时间和幅度即可获得量子比特逻辑门操作所需的调制编码信息。
第一滤波器用于抑制基带信号生成器产生的基带信号中的高频杂散噪 声，以改善基带信号生成器生成的基带信号的质量。其中，第一滤波器为基 带信号生成器附带的前端滤波器。可选地，基带信号生成器为任意波形发生 器(AWG)，通常，AWG具有至少2GS/s的采样率以及12字节以上的垂直 分辨率。可选地，第一滤波器是1GHz的低通滤波器。
其中，基带信号生成器及第一滤波器生成的基带信号具有如下形式：
AIF(t)＝A0(t)coscos(2πfIFt+φIF)
需要说明的是，点频脉冲的初始相位是人工设定的。由于脉冲的调制信 息由基带信号生成、并通过两次混频完成调制的，因而量子比特操作脉冲的 初始相位可以直接通过此处基带信号相位的调节完成，通过设定φ的值，即 可确定基带信号的初始相位，也同时确定了量子比特操作脉冲的初始相位。
持续时间则是通过AIF(t)表达式中A0(t)部分来决定的，考虑到脉冲的固有 特征，自然有A0(t)仅在特定时间t范围内不为零，在其他范围内恒为零。也 就是说，这个令A0(t)不为零的t区间，也就是脉冲的持续时间，通过人为设 定t区间，即可决定基带信号的持续时间，进而决定量子比特操作脉冲的持续 时间。
幅值同样是通过A0(t)来确定。为了确保在其他参数不变的前提下仅调整 脉冲的幅值，可以直接令A0(t)＝KA0(t)即可，也就是说，等比例增大A0(t)即可 实现基带信号以及量子比特操作脉冲幅值的设置。
本实施例中，所述第一本振信号生成模块和所述所述第二本振信号生成 模块具有不同的工作频率，对应的工作频率大的记为高本振信号生成模块， 对应的工作频率小的记为低本振信号生成模块；所述低本振信号生成模块配 置有工作频率分段的工作档位，各所述工作档位对应的每段工作频率相互不 连续；各所述工作档位对应的每段工作频率的起始值为依次增大的 f1,f2,f3....f.，n.其中n为分段数量，各所述工作档位对应的每段工作频率的 范围均为Δf；所述高本振信号生成模块的工作频率的范围为[fL，fH]；其中：fH-fL＝fn-fn-1＝.......＝f3-f2＝f2-f1。
在本实施例中，第一本振信号生成模块为低本振信号生成模块，其包括 第一本振信号生成器和第一放大器，第一本振信号生成器用于生成第一本振 信号，第一放大器用于对第一本振信号进行放大处理。
在具体实施例的时候，低本振信号生成模块配置有工作频率分段的工作 档位，各所述工作档位对应的每段工作频率相互不连续；各所述工作档位对 应的每段工作频率的起始值为依次增大的f1,f2,f3......fn，其中n为分段数量， 各所述工作档位对应的每段工作频率的范围均为Δf；优选第一本振信号生成 器通过微波源硬件实现，称为微波源模块，微波源模块包括多个微波源芯片， 且微波源芯片的个数等于工作档位数，各所述微波源芯片分别提供一个所述 工作档位的工作频段，各微波源芯片共同由开关阵列控制。
需要说明的是，各微波源芯片提供的第一本振信号均具有如下形式：
ALO1(t)＝A1cos cos(2πfLO1t+φLO1)
本实施例中，第一混频器12是一个三端口混频器，具有LO通道、IF通 道以及RF通道。通过将基带信号以及第一本振信号分别输入到IF通道与LO 通道，可以实现第一次混频过程，将第一本振信号的频谱平移至(fLO1±fIF)处， 其中，fLO1为第一本振信号的频率，fIF为基带信号的频率。但是对于量子比特 来说，我们只需要(fLO1+fIF)的分量，而不需要(fLO1-fIF)分量。同时，不理想 的混频器也附带少量第一本振信号的泄露以及基带信号的泄露。因此，本实 施例中的第一混频器12本身能够被设置到尽可能提高(fLO1+fIF)分量的输出权重，剩余的(fLO1-fIF)分量以及第一本振信号和基带信号的泄露通过第一信号 处理模块13来解决，即通过第一信号处理模块13滤除泄露的信号等。
本实施例中，第一信号处理模块13包括第一滤波器阵列和第一放大线路。 第一滤波器阵列用于滤除所需的第一混频信号的频段之外的信号，即抑制从 第一混频器12输出的信号附带的泄露信号、镜像信号以及频段外杂散噪声等； 第一放大线路用于对第一混频信号进行放大处理，以提高有效信号的强度。 可选地，第一滤波器阵列为开关式带通滤波器阵列，以精确匹配到有效信号 所在的频段；第一放大线路为功放-运放级联放大线路，优选为4GHz-8GHz 的功放-运放级联放大线路。
其中，第一混频器12通过如下方式对第一本振信号与基带信号进行耦合：
其中，kmix1为第一耦合器耦合权重。由于第一混频器12后级有只通过 (fLO1+fIF)的带通滤波器即第一滤波器阵列，以及对(fLO1+fIF)频段更敏感的功 放-运放级联放大线路，因而，最终信号的形式如下：
A1(t)＝k1A0(t)coscos[2π(fIF+fLO1)t+φIF+φLO1+Δφ1]+
k2A0(t)coscos[2π(fIF-fLO1)t+φIF-φLO1+Δφ2]
在第一滤波器阵列和功放-运放级联放大线路的作用下，k1/k2≥100，因而， 可以近似地认为
A1(t)≈k1A0(t)coscos[2π(fIF+fLO1)t+φIF+φLO1+Δφ1]
其中，k1为增益系数，Δφ1为额外相移。
本实施例中，第二本振信号生成模块15为高本振信号生成模块，其包括 第二本振信号生成器和第二放大器；第二本振信号生成器用于生成第二本振 信号，第二放大器用于对第二本振信号进行放大处理。
在具体实施例的时候，第二本振信号生成器通过倍频锁相环、DDS模式 的高采样率数字模拟转换器之一等硬件实现，且所述高本振信号生成模块的 工作频率的范围为[fL，fH]，满足fH-fL＝fn-fn-1＝.......＝f3-f2＝f2-f1，且fL-fn-Δf-fIF≤ 量子比特逻辑信号的目标频段的预设最小值，fH-f1-Δf-fIF＞＞量子比特逻辑 信号的目标频段的预设最大值，其中：fIF为所述基带信号的频率。可以保证 该系统生产的量子比特逻辑信号的频率覆盖目标频段。
另外，所述高本振信号生成模块的工作频率的范围大于所述低本振信号 生成模块的工作频率的范围；所述高本振信号生成模块的工作频率的步进等 于所述低本振信号生成模块的工作频率的范围；所述高本振信号生成模块的 工作频率的步进等于所述低本振信号生成模块的工作频率的步进的整数倍。
在具体实施时，可以根据目标频率进度设置低本振信号生成模块的工作 频率的步进，以保证得到量子比特逻辑信号的频率的精度。
同时，本实施例中的第二本振信号是具有单一频率的持续微波信号。通 常，第二本振信号生成模块15所生成的第二本振信号具有如下形式：
ALO2(t)＝A2coscos(2πfLO2t+φLO2)
本实施例中，第二混频器14是一个三端口混频器，具有LO通道，IF通 道以及RF通道。通过将经第一混频器12以及第一信号处理模块13后输出的 信号(fLO1+fIF)以及第二本振信号分别输入到IF通道与LO通道，可以实现第 二次混频过程，将第二本振信号的频谱平移至处，fLO2为第二 本振信号的频率。但是对于量子比特来说，我们只需要(fLO2-fLO1-fIF)的分量， 而不需要其他分量。特别地，通过基带信号频率、第一本振信号频率以及第 二本振信号频率的设置，最终(fLO2-fLO1-fIF)精确等于超导量子比特的单量子 比特操作所需的逻辑信号的频率。同时，不理想的混频器也附带少量泄露的 第二本振信号以及基带信号。
本实施例中，第二信号处理模块15包括第二滤波器阵列和第二放大线路； 第二滤波器阵列用于滤除所需的第二混频信号的频段之外的信号，即抑制从 第二混频器14输出的信号附带的泄露信号、镜像信号以及频段外杂散噪声等； 第二放大线路用于对第二混频信号进行放大处理，以提高有效信号的强度。 可选地，第二滤波器阵列都为开关式带通滤波器阵列，以精确匹配到有效信 号所在的频段；第二放大线路都为功放-运放级联放大线路。
通常，第二混频器14通过如下方式对第二本振信号与第一混频信号进行 耦合：
其中，kmix2为第二混频器耦合权重。由于第二混频器14后级有只通过 (fLO2-fLO1-fIF)的带通滤波器即第二滤波器阵列，以及对(fLO2-fLO1-fIF)频段更 敏感的功放-运放级联放大线路，因而最终信号的形式如下：
A2(t)＝k3A0(t)coscos[2π(fIF+fLO1+fLO2)t+φIF+φLO1+Δφ1+φLO2+Δφ3]+
k4A0(t)coscos[2π(fIF+fLO1-fLO2)t+φIF+φLO1+Δφ1-φLO2+Δφ4]。
在滤波器和功放-运放级联放大线路的作用下，k4/k3≥100，因而可以近似 地认为A2(t)≈k4A0(t)coscos[2π(fIF+fLO1-fLO2)t+φIF+φLO1+Δφ1-φLO2+Δφ4]。
其中，k4为增益系数，Δφ4为额外相移。
调制信号发射端17将最终的信号输出，最终的信号就是能够满足超导量 子比特的单量子比特操作所需精确频率、相位以及幅度的模拟脉冲信号。完 成调制后，最终的有效调制信号的形式如下：
Acontrol(t)＝ARF(t)coscos[2πfRFt+φRF]。
需要说明的是，调制信号发射端17只输出信号，不改变信号，因而 Acontrol(t)＝A2(t)，也就是说，
fRF＝|fIF+fLO1-fLO2|
ARF(t)＝k4A0(t)
φRF＝φIF+φLO1+Δφ1-φLO2+Δφ4＝φIF+Δφ
上述三个公式中，公式左边为量子比特操作信号所需要的逻辑信号的频 率fRF、幅度ARF(t)以及相位φRF，而公式右边则是基带信号的频率、幅度以及 相位的对应表达式。可见，只要整个调制混频线路完全固定，也就是说fLO1、 fLO2、k4、Δφ不变时，通过对基带信号的调制，即可完全实现对量子比特操作 信号的调制，实现量子比特量子逻辑门操作对逻辑信号的全部要求。
在一个具体实施例中，低本振信号生成模块配置3个工作档位，低本振信 号生成模块通过开关阵列控制的三个微波源芯片实现，3个工作档位频率不连 续。各所述工作档位对应的每段工作频率的起始值为依次增大的f1,f2,f3，各 所述工作档位对应的每段工作频率的范围均为Δf。而所述高本振信号生成模 块的工作频率的范围为[fL，fH]；其中：fH-fL＝fn-fn-1＝.......＝f3-f2＝f2-f1，且fH-fL＝MΔf， 其中，M为正整数。
针对目标频率4GHz到8GHz，本实施例设置fL，fH，f1,f2,f3，Δf，分别为下 表1所示。
表1实施例参数设置
本实施例提供的目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，采用多个步进 1KHz微波源芯片制备低本振信号生成模块，多个步进1KHz微波源芯片提供 的低本振信号工作频段不连续，避免了低本振信号生成模块和高本振信号生 成模块两者均采用连续频段存在的频段设置冲突以及信号正确性不能保证的 问题；同时，设置低本振信号生成模块的带宽，即所述低本振信号生成模块 的工作频率的范围，等于高本振信号生成模块的步进，大大方便了低本振信 号生成模块和高本振信号生成模块的硬件配置，通过良好性能的硬件配置， 可以使得合成后的量子比特逻辑信号具有更低的相位噪声；再者，通过设置 所述高本振信号生成模块的工作频率的步进等于所述低本振信号生成模块的 工作频率的范围；所述高本振信号生成模块的工作频率的步进等于所述低本 振信号生成模块的工作频率的步进的整数倍，可以保证得到指定精度的量子 比特逻辑信号，进而能够提高量子逻辑门的保真度。
本实施例提供的目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，能够满足目标 频段指定精度需求的量子比特逻辑信号的生成，其中的指定精度通过低本振 信号生成模块的步进实现。
在一个具体实施方式中，基带信号生成模块10生成的是一个频率为fIF的点 频脉冲信号，其初始相位为90度，对应超导量子比特中以Y轴为旋转轴的旋转 操作；通过控制脉冲的幅度为0.2V，持续时间为25ns，决定旋转角度为逆时针 90度。综上，以上基带信号IF代表了超导量子比特中一个单量子比特操作
第一本振信号生成模块11生成的是频率为fLO1的第一本振信号LO1。
第一混频器12将频率为fIF的基带信号以及频率为fLO1的第一本振信号分 别输入到IF通道与LO通道，可以实现第一次混频过程，将第一本振信号的频 谱平移至(fLO1±fIF)处，但是对于本实施例中的量子比特来说，我们只需要 (fLO1+fIF)的分量。同时，不理想的混频器也附带少量泄露的LO1信号以及IF信 号。因此，本实施例中将第一混频器12设置到尽可能提高(fLO1+fIF)分量的输出 权重，镜像以及泄露部分通过第一信号处理模块13滤除。可选地，采用(fLO1+fIF) 为带宽中心的100MHz带通滤波器即第一滤波器阵列滤掉所有无用信号，同 时，采用功放-运放级联放大线路确保3.5GHz分量的信号量不损失。
第二本振信号生成模块15生成了频率为fLO2的第二本振信号LO2。
第二混频器14将第一信号处理模块13输出的频率为(fLO1+fIF)的第一混频 信号以及频率为fLO2的第二本振信号分别输入到IF通道与LO通道，可以实现第 二次混频过程，将本振信号的频谱平移至处。但是对于量子比 特来说，只需要(fLO2-(fLO1+fIF))的分量，而不需要其他分量。特别地，目标量 子比特的频率等于(fLO2-(fLO1+fIF))时，(fLO2-(fLO1+fIF))的信号分量刚好能够用 于实现该量子比特的单量子比特操作因此，可以将第二混频器14设置 到尽可能提高(fLO2-(fLO1+fIF))分量的输出权重，镜像以及泄露部分通过第二信 号处理模块16滤除。可选地，采用(fLO2-(fLO1+fIF))为带宽中心的100MHz带通 滤波器即第二滤波器阵列来滤掉所有无用信号，采用功放-运放级联放大线路 确保6.5GHz分量的信号量不损失。
调制信号发射端17将最终的信号输出，最终的信号就是能够满足超导量 子比特的单量子比特操作所需精确频率(fLO2-(fLO1+fIF))、相位以及幅度的模拟 脉冲信号，该模拟脉冲信号能够精确实现单量子比特操作
本发明所提供的目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，第一混频器对 基带信号和第一本振信号进行混频得到第一混频信号，第一信号处理模块对 第一混频信号进行滤波和放大处理，第二混频器对处理后的第一混频信号和 第二本振信号进行混频得到第二混频信号，第二信号处理模块对第二混频信 号进行滤波和放大处理，处理后的第二混频信号即为量子比特逻辑信号。与 现有技术相比，本发明提供的目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，不仅 能够有效地滤除调制混频中产生的信号泄露和镜像，而且能够满足超导量子 比特对单量子比特操作所需逻辑信号的频率、相位以及幅度的精度要求。
并且，与现有正交调制相比，本发明中的第一混频器和第二混频器为三 端口混频器，而正交调制中的混频器在三端口混频器非理性因素的基础上， 额外具有IQ通道非对称耦合的瑕疵，导致相位/幅度的调制出现非线性的畸变。 因而，本发明中的生成系统在脉冲信号相位调制上具有更优秀的线性调制性 能，对于超导量子比特来说，在实现精准任意的单量子比特逻辑门操作上更 具优势。
再者，所述第一本振信号生成模块和所述所述第二本振信号生成模块具 有不同的工作频率，将对应的工作频率大的记为高本振信号生成模块，对应 的工作频率小的记为低本振信号生成模块；所述低本振信号生成模块配置有 工作频率分段的工作档位，各所述工作档位对应的每段工作频率相互不连续； 各所述工作档位对应的每段工作频率的起始值为依次增大的f1,f2,f3......fn， 其中n为分段数量，各所述工作档位对应的每段工作频率的范围均为Δf；所 述高本振信号生成模块的工作频率的范围为[fL，fH]；其中：fH-fL＝fn-fn-1＝.......＝f3-f2＝f2-f1。通过对低本振信号生成模块的工作档位的配置以及 根据高本振信号生成模块的工作频率的范围为[fL，fH]设置低本振信号生成模 块的工作档位，相对低本振信号生成模块和高本振信号生成模块均设置连续 工作频段的配置，本申请：1.不会存在频段冲突和受限问题，以保证得到目标 频段量子比特逻辑信号的需求；2.硬件容易实现，进而保证量子比特逻辑信号 精度；3.信号来源唯一确定，能保证最终生成量子比特逻辑信号的准确度；4. 信号来源唯一确定，能够减少中间过程产生的信号处理占用时间；5.有利于得 到指定精度均得到保证的量子比特逻辑信号，有利于保证量子芯片上的量子 比特操作的保真度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述 的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种目标频段量子比特逻辑信号的生成系统，包括基带信号生成模块、第一本振信号生成模块、第一混频器、第一信号处理模块、第二混频器、第二本振信号生成模块和第二信号处理模块；
所述基带信号生成模块用于生成基带信号，并将所述基带信号输入所述第一混频器，所述基带信号包含量子比特逻辑门操作所需的调制编码信息；
所述第一本振信号生成模块用于生成第一本振信号，并将所述第一本振信号输入所述第一混频器；
所述第一混频器用于对所述基带信号和所述第一本振信号进行混频，并将混频后得到的第一混频信号传输至所述第一信号处理模块；
所述第一信号处理模块用于对所述第一混频信号进行滤波和放大处理，并将处理后的第一混频信号传输至所述第二混频器；
所述第二本振信号生成模块用于生成第二本振信号，并将所述第二本振信号传输至所述第二混频器；
所述第二混频器用于对所述处理后的第一混频信号和所述第二本振信号进行混频，并将混频后得到的第二混频信号传输至所述第二信号处理模块；
所述第二信号处理模块用于对所述第二混频信号进行滤波和放大处理，并输出处理后的第二混频信号，且所述处理后的第二混频信号即为量子比特逻辑信号；
其特征在于：所述第一本振信号生成模块和所述所述第二本振信号生成模块具有不同的工作频率，对应工作频率大的记为高本振信号生成模块，对应工作频率小的记为低本振信号生成模块；
所述低本振信号生成模块配置有工作频率分段的工作档位，各所述工作档位对应的每段工作频率相互不连续；
各所述工作档位对应的每段工作频率的起始值为依次增大的f1,f2,f3......fn，其中n为分段数量，各所述工作档位对应的每段工作频率的范围均为Δf；
所述高本振信号生成模块的工作频率的范围为[fL，fH]；
其中：fH-fL＝fn-fn-1＝.......＝f3-f2＝f2-f1。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基带信号生成模块包括基带信号生成器和第一滤波器；
所述基带信号生成器用于生成基带信号；
所述第一滤波器用于抑制所述基带信号生成器产生的所述基带信号中的高频杂散噪声。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低本振信号生成模块为微波源模块；
且所述高本振信号生成模块为倍频锁相环、DDS模式的高采样率数字模拟转换器之一。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述微波源模块包括开关阵列控制的多个微波源芯片；
各所述微波源芯片分别提供一个所述工作档位的工作频段。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述高本振信号生成模块的工作频率的范围大于所述低本振信号生成模块的工作频率的范围；
所述高本振信号生成模块的工作频率的步进等于所述低本振信号生成模块的工作频率的范围；
所述高本振信号生成模块的工作频率的步进等于所述低本振信号生成模块的工作频率的步进的整数倍。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
fL-fn-Δf-fIF≤量子比特逻辑信号的目标频段的预设最小值；
fH-f1-Δf-fIF＞＞量子比特逻辑信号的目标频段的预设最大值；
其中：fIF为所述基带信号的频率。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一信号处理模块包括第一滤波器阵列和第一放大线路；
所述第一滤波器阵列用于滤除所需的第一混频信号的频段之外的信号；
所述第一放大线路用于对所述第一混频信号进行放大处理。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一滤波器阵列为开关式带通滤波器阵列；
所述第一放大线路为功放-运放级联放大线路。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二信号处理模块包括第二滤波器阵列和第二放大线路；所述第二滤波器阵列用于滤除所需的第二混频信号的频段之外的信号；所述第二放大线路用于对所述第二混频信号进行放大处理。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：调制信号发射端；所述调制信号发射端与所述第二信号处理模块相连，用于输出处理后的第二混频信号。
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