CN114005723A - 噪声稳定的离子阱驱动装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的噪声稳定的离子阱驱动装置及系统，涉及量子计算领域，包括信号源、数字控制器、射频振荡器、混频器、功率放大器、谐振器、电容分压器、整流器、判断处理模块，其中，判断处理模块与整流器电学连接，用于在设定时间段内，实时统计整流器的输出电压，得到电压集合{V₁，V₂，V₃，V₄…V_n}以及根据该电压集合{V₁，V₂，V₃，V₄…V_n}，判断功率放大器是否需要调整，提高了功率放大器的转换效率，降低了功率放大器的热损耗，提高了离子捕获的效果。

Description

噪声稳定的离子阱驱动装置及系统

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，具体涉及一种噪声稳定的离子阱驱动装置及系统。

背景技术

在量子计算领域，噪声稳定的离子阱驱动装置通常由如图1所示的射频振荡器、谐振器、功率放大器等组成，该电路容易受到功率放大器增益波动及所处环境温度漂移等的影响。离子阱对这些变化特别敏感，因为噪声稳定的离子阱驱动装置输出信号的频率直接决定了能够捕获哪种离子。噪声稳定的离子阱驱动装置的是否稳定对于量子信息的处理以及量子状态的制备至关重要。目前主要采用数字控制方式（如PID控制电路）来稳定离子阱驱动装置产生的噪声，但该方案存在的缺陷为：未对噪声稳定的离子阱驱动装置中功率放大器的噪声进行监控以稳定功率放大器输出信号的功率。由于功率放大器对信号的功率进行放大，其转换效率会随着环境温度的漂移而出现波动，未转换部分通常以热噪声形式辐射出去，降低了离子捕获的效果。因此，如何降低功放噪声的输出或者稳定其噪声输出，是解决噪声稳定的离子阱驱动装置噪声问题的关键。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明实施例提供了一种噪声稳定的离子阱驱动装置及系统，以解决现有技术存在的缺陷。

为了实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种噪声稳定的噪声稳定的离子阱驱动装置，其中，所述噪声稳定的离子阱驱动装置包括信号源、数字控制器、射频振荡器、混频器、功率放大器、谐振器、电容分压器、整流器、判断处理模块和直流供电模块，其中：

所述判断处理模块与所述整流器电学连接，用于在设定时间段内，实时统计所述整流器的输出电压，得到电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}。

所述判断处理模块，还用于根据所述电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}，判断所述功率放大器是否需要调整。

作为本发明一个优选的实施方式，所述判断处理模块还用于在确定所述功率放大器需要调整时，控制所述直流供电模块输出与所述功率放大器当前最佳的供电电压一致的电压。

作为本发明一个优选的实施方式，该噪声稳定的离子阱驱动装置还包括直流供电模块，其中，所述直流供电模块分别与所述判断处理模块及所述功率放大器电学连接，用于为所述功率放大器提供直流偏置电压。

作为本发明一个优选的实施方式，所述判断处理模块还用于：

计算所述电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}对应的分布特征，其中，所述分布特征包括电压均值、方差及输出电压分布P（V）；

在无信号反馈给数字控制器（即没有电容分压器、整流器及判断处理模块）的情况下，测量得到所述功率放大器的效率分布P(η)以及不同效率下的电压分布P(V|η)；

根据公式

，计算不同电压下的效率分布P(η|V)；

根据所述效率分布P(η|V)，获取所述功率放大器的最佳效率η_opt。

作为本发明一个优选的实施方式，所述判断处理模块还用于：

根据所述功率放大器的最佳效率η_opt，获取所述整流器的最佳输出电压V_opt；

根据所述整流器的最佳输出电压V_opt，从预设的映射表中，获取所述功率放大器在所述设定时间段内的最佳供电电压V_amp。

作为本发明一个优选的实施方式，所述判断处理模块还用于：

根据所述设定时间段内的最佳供电电压V_amp及所述功率放大器在前一设定时间段内的最佳供电电压V_amp1，判断所述功率放大器是否需要调整。

作为本发明一个优选的实施方式，所述判断处理模块还用于：

判断所述最佳供电电压V_amp1是否处于所述最佳供电电压V_amp设定的置信区间内，若否，则控制所述直流供电模块输出与所述最佳供电电压V_amp一致的电压。

第二方面，本发明提供了一种噪声稳定的离子阱驱动装置，该离子阱驱动装置包括如上述第一方面所述的噪声稳定的离子阱驱动装置。

本发明实施例提供的噪声稳定的离子阱驱动装置及系统具有以下有益效果：

通过监测整流器的输出电压并根据该电压，实时判断功率放大器是否需要调整，从而提高了功率放大器的转换效率，降低了功率放大器的热损耗，提高了离子捕获的效果。

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介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有离子阱驱动装置结构示意图。

图2为本发明实施例提供的噪声稳定的离子阱驱动装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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的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。

如图2所示，本发明实施例提供的噪声稳定的离子阱驱动装置包括信号源、数字控制器、射频振荡器、混频器、功率放大器、谐振器、电容分压器、整流器、判断处理模块，其中，信号源用于制备单频率的微波信号，数字控制器用于控制微波信号的幅度、相位及频率，射频振荡器用于制备待混频的信号，混频器用于将信号源制备的微波信号与射频振荡器制备的信号相乘以提高微波信号的频率，功率放大器用于放大信号的功率，谐振器用于电路匹配，电容分压器用于将功率放大器的输出电压分压以从中采样较小电压作判断和反馈处理，整流器用于将交流电转为直流电，其中，射频振荡器制备的待混频信号的频率远大于射频振荡器制备的信号。

判断处理模块与整流器电学连接，用于在设定时间段内，实时统计整流器的输出电压，得到电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}。

具体地，即在功率放大器的噪声输出处于稳定的时间段内，判断处理模块实时统计整流器的输出电压。

判断处理模块还用于根据电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}，判断功率放大器是否需要调整，具体地，该过程包括如下步骤：

计算电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}对应的分布特征，其中，分布特征包括电压均值、方差及输出电压分布P（V）；

在没有电容分压器、整流器、判断处理模块及直流供电模块的情况下，测量得到功率放大器的效率分布P(η)以及不同效率下的电压分布P(V|η)；

根据公式

，计算不同电压下的效率分布P(η|V)；

根据效率分布P(η|V)，获取功率放大器的最佳效率η_opt。

其中，该过程具体包括如下步骤：

设定功率放大器效率的目标值为η_obj，同时设定迭代求解的目标函数为：

MSE = |η_obj - η| （1）

其中，可以采用牛顿法的迭代求解方法求解该目标函数的极小值，即

V_k+1 = V_k -η(V)/ η’(V) （2）

式（2）中，η(V)是整流器的输出电压V的函数，k为迭代次数，每次代入V值，可以得到相应的η值，将得到的η值代入式（1）中，可以得到相应的MSE值。由于需要寻找最小的MSE值，所以需要继续代入下一个V值，计算η值。

具体地，可以采用公式V_k+1 = V_k -η(V)/ η’(V) 计算下一个V值，从而根据下一个V值计算得到相应的下一个η值。反复计算多次，直至得到功率放大器的最佳效率η_opt，该η_opt的值与η_obj差值的绝对值最小。其中，η’(V)为η(V)的导数。

其中，功率放大器的效率η和整流器的输出电压V之间换算关系是功率放大器自身决定的，为已知的。

作为本发明一个可选的实施方式，判断处理模块还用于在确定功率放大器需要调整时，控制直流供电模块输出与功率放大器当前最佳的供电电压一致的电压。

作为本发明一个可选的实施方式，判断处理模块还用于：

根据功率放大器的最佳效率η_opt，获取整流器的最佳输出电压V_opt；

根据整流器的最佳输出电压V_opt，从预设的映射表中，获取功率放大器在设定时间段内的最佳供电电压V_amp。

具体地，该映射表可以通过神经网络模型得到，即在无信号反馈给数字控制器时，测试得到最佳输出电压V_opt与最佳供电电压V_amp的对应数组，根据测试数据建立训练数据库，利用神经网络模型训练得到最佳输出电压V_opt与最佳供电电压V_amp之间的映射表。正常工作时，通过将最佳输出电压V_opt输入到判断处理模块中的神经网络模型即可得到相应的最佳供电电压V_amp。

作为本发明一个可选的实施方式，判断处理模块还用于：

根据设定时间段内的最佳供电电压V_amp及功率放大器在前一设定时间段内的最佳供电电压V_amp1，判断功率放大器是否需要调整。

作为本发明一个可选的实施方式，判断处理模块还用于：

判断最佳供电电压V_amp1是否处于最佳供电电压V_amp设定的置信区间内，若否，则控制直流供电模块输出与最佳供电电压V_amp一致的电压。

具体地，可以将置信度设为0.95。

特别地，由于功率放大器的处理存在延迟，所以，如图2所示，采用延迟处理模块（如延迟线）将数字控制器与混频器连接来解决该问题。

本发明实施例提供的噪声稳定的离子阱驱动装置及系统，包括信号源、数字控制器、射频振荡器、混频器、功率放大器、谐振器、电容分压器、整流器、判断处理模块，其中，判断处理模块与整流器电学连接，用于在设定时间段内，实时统计整流器的输出电压，得到电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}以及根据该电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}，判断功率放大器是否需要调整，提高了功率放大器的转换效率，降低了功率放大器的热损耗，提高了离子捕获的效果。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请实施例的范围。

应当理解，在本申请实施例的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

可以理解，以上所描述的装置实施例是示意性的，例如，所述模块/单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种噪声稳定的离子阱驱动装置，包括信号源、数字控制器、射频振荡器、混频器、功率放大器、谐振器、电容分压器和整流器，其特征在于，还包括判断处理模块，其中：

所述判断处理模块，与所述整流器电学连接，用于在设定时间段内，实时统计所述整流器的输出电压，得到电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}；

所述判断处理模块，还用于根据所述电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}，判断所述功率放大器是否需要调整。

2.根据权利要求1所述的噪声稳定的离子阱驱动装置，其特征在于：

所述判断处理模块，还用于在确定所述功率放大器需要调整时，控制所述直流供电模块输出与所述功率放大器当前最佳的供电电压一致的电压。

3.根据权利要求1所述的噪声稳定的离子阱驱动装置，其特征在于：

还包括直流供电模块，其中，所述直流供电模块分别与所述判断处理模块及所述功率放大器电学连接，用于为所述功率放大器提供直流偏置电压。

4.根据权利要求3所述的噪声稳定的离子阱驱动装置，其特征在于，所述判断处理模块还用于：

计算所述电压集合{V1，V2，V3，V4…Vn}对应的分布特征，其中，所述分布特征包括电压均值、方差及输出电压分布P（V）；

在无信号反馈给数字控制器的情况下，测量得到所述功率放大器的效率分布P(η)以及不同效率下的电压分布P(V|η)；

根据公式

，计算不同电压下的效率分布P(η|V)；

根据所述效率分布P(η|V)，获取所述功率放大器的最佳效率η_opt。

5.根据权利要求4所述的噪声稳定的离子阱驱动装置，其特征在于，所述判断处理模块还用于：

根据所述功率放大器的最佳效率η_opt，获取所述整流器的最佳输出电压V_opt；

根据所述整流器的最佳输出电压V_opt，从预设的映射表中，获取所述功率放大器在所述设定时间段内的最佳供电电压V_amp。

6.根据权利要求5所述的噪声稳定的离子阱驱动装置，其特征在于，所述判断处理模块还用于：

根据所述设定时间段内的最佳供电电压V_amp及所述功率放大器在前一设定时间段内的最佳供电电压V_amp1，判断所述功率放大器是否需要调整。

7.根据权利要求6所述的噪声稳定的离子阱驱动装置，其特征在于，所述判断处理模块还用于：

判断所述最佳供电电压V_amp1是否处于所述最佳供电电压V_amp设定的置信区间内，若否，则控制所述直流供电模块输出与所述最佳供电电压V_amp一致的电压。

8.一种噪声稳定的离子阱驱动系统，其特征在于，包括如上述权利要求1-7中任一项所述的离子阱驱动电路。

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