CN115314114B - 单一频率的信号产生方法、系统及应用 - Google Patents
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Abstract
一种单一频率的信号产生方法、系统及应用，该单一频率的信号产生方法包括：根据射频信号和第一激光信号，得到第一光载波信号，第一光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号；根据本振信号和第二激光信号，得到第二光载波信号，第二光载波信号为带有﹢1阶射频信号的光载波信号，第一激光信号和第二激光信号相同；使第二光载波信号产生180°相移，得到相移信号，相移信号和第一光载波信号具有180°相位差；将相移信号与第一光载波信号合束，得到合束信号；以及使合束信号发生拍频，得到单一频率的信号。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算及光通信技术领域特别涉及单一频率的信号产生方法、系统及应用。
背景技术
量子计算是一种利用量子力学基本特性进行计算的全新计算模式，具有经典计算无法比拟的超强并行处理能力。基于超导量子电路的超导量子计算在器件架构设计上有非常高的灵活性，超导量子比特在超导量子计算中具有很重要的作用，随着量子比特在性能上的不断提升和在扩展架构上的发展，超导量子计算成为发展最快，技术最成熟的量子计算方案之一。
超导量子比特设置于超导量子处理器中，超导量子处理器是一种超导量子电路，利用常规的电磁控制脉冲即可实现对超导量子电路的调控。超导量子比特的特征频率在5GHz左右，因此，利用常规的微波电子学技术产生的信号可实现对超导量子比特的控制。
超导量子比特控制信号有两种：微波激励信号和偏置脉冲信号。偏置脉冲信号用于设置超导量子比特的工作点以及实现快速偏置操作，偏置脉冲信号可以使用高速数字模拟转换器(DAC)合成。微波激励信号用于对超导量子比特进行微波激励，控制量子态的演化。波激励信号通常的形成方法是基于传统的电混频方法，具体的，首先使用高速DAC合成有特定包络和特定相位的中频脉冲，通过镜像抑制混频器(IQ混频器)将有特定包络和特定相位的中频脉冲进行上转换得到该微波激励信号。此外，用于对超导量子比特中的信息进行读取的超导量子比特读取激励信号的形成方式和微波激励信号相同。
然而该方法存在本振泄漏的问题，本振泄漏会影响到其他量子比特的频率控制信号，压缩可用量子比特频率空间。同时，产生的杂散频率会引发信号互调失真，降低系统信噪比，这可能会影响超导量子比特的频率精度和门保真度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供单一频率的信号产生方法、系统及应用，以期至少部分地解决上述提及的技术问题。
为实现上述目的，作为本发明一个方面提供了一种单一频率的信号产生方法，包括：
根据射频信号和第一激光信号，得到第一光载波信号，第一光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号；
根据本振信号和第二激光信号，得到第二光载波信号，第二光载波信号为带有﹢1阶射频信号的光载波信号，第一激光信号和第二激光信号相同；
使第二光载波信号产生180°相移，得到相移信号，相移信号和所述第一光载波信号具有180°相位差；
将相移信号与第一光载波信号合束，得到合束信号；以及
使合束信号发生拍频，得到单一频率的信号。
根据本发明的实施例，单一频率的信号产生方法还包括：
将原始激光信号分成第一激光信号和第二激光信号。
作为本发明的第二个方面，还提供了一种单一频率的信号产生系统，用于权利要求1或2的信号产生方法，该系统包括：
第一调制单元，适用于将射频信号调制到第一激光信号上，得到第一光载波信号，第一光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号，
第二调制单元，适用于将本振信号调制到第二激光信号上，得到第二光载波信号，第二光载波信号为带有﹢1阶射频信号的光载波信号；
光移相器，适用于使第二光载波信号产生180°相移，得到相移信号；同时维持相移信号和第一光载波信号保持180°相位差；
耦合器，适用于使相移信号与第一光载波信号合束，得到合束信号；以及
光电探测器，适用于使合束信号发生拍频，得到单一频率的信号。
根据本发明的实施例，上述信号产生系统，还包括：
射频源，适用于产生射频信号；
本振信号源，适用于产生本振信号；以及
激光器，适用于产生激光信号。
根据本发明的实施例，上述信号产生系统还包括：
光分束器，适用于将原始激光信号分成第一激光信号和第二激光信号。
根据本发明的实施例，光分束器为50:50的光分束器。
根据本发明的实施例，第一调制单元包括：
第一电移相器，适用于将射频信号分成第一射频子信号和第二射频子信号，第一射频子信号和第二射频子信号功率相同，相位相差90°；以及
第一双驱动马赫增德尔调制器，包括：
第一射频输入端口，用于输入第一射频子信号；以及
第二射频输入端口，用于输入第二射频子信号。
根据本发明的实施例，第二调制单元包括：
第二电移相器，适用于将本振信号分成第一本振子信号和第二本振子信号，第一本振子信号和第二本振子信号功率相同，相位相差90°；以及
第二双驱动马赫增德尔调制器，包括：
第三射频输入端口，用于输入第一本振子信号；以及
第四射频输入端口，用于输入第二本振子信号。
根据本发明的实施例，射频源与第一电移相器之间采用同轴电缆连接，第一电移相器与第一双驱动马赫增德尔调制器之间采用同轴电缆连接，本振信号与第二电移相器之间采用同轴电缆连接，第二电移相器与第二双驱动马赫增德尔调制器之间采用同轴电缆连接。
作为本发明的第三个方面，还提供了一种应用在量子计算中量子比特控制信号的产生方法，包括：
根据如权利要求1或2的信号产生方法，得到单一频率的信号；以及
将单一频率的信号作为超导量子比特的控制信号。
根据本发明的实施例，通过利用射频信号和第一激光信号，得到第一光载波信号，利用本振信号和与第一激光信号相同的第二激光信号得到第二光载波信号，由于第一光载波信号为带有﹢1阶射频信号的光载波信号，第二光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号，产生180°相移后与第一光载波信号发生拍频，即可产生单一频率的信号。本方法整个过程无需滤波，即可得到单一频率的信号。
附图说明
图1示意性的示出了根据本发明的实施例提供的单一频率的信号产生的方法图；
图2示意性的示出了根据本发明的实施例提供的单一频率的信号产生系统的结构框图；
图3示意性的示出了根据本发明的实施例提供的光移相器的内部结构示意图；
图4示意性的示出了根据本发明的实施例提供的利用光电探测器进行混频的原理示意图；
图5示意性的示出了根据本发明的实施例提供的信号流程示意图；
图6示意性的示出了根据本发明的实施例提供的分支线耦合器内部结构示意图；
图7示意性的示出了根据本发明的实施例提供的双驱动MZM的结构示意图；
图8示意性的示出了根据本发明的实施例提供的双驱动MZM单边带调制的光谱示意图。
附图标记说明
1第一调制单元
11第一电移相器
12第一双驱动马赫增德尔调制器
2第二调制单元
21第二电移相器
22第二双驱动马赫增德尔调制器
3光移相器
4耦合器
5光电探测器
6射频源
7本振信号源
8激光器
9光分束器
具体实施方式
在实施本发明的过程中发现，微波光子混频方法具有实现上变频和下变频的能力，因此广泛应用于无线通信、雷达和相控阵波束形成等领域中。与传统的电混频方法相比，微波光子混频方法具有带宽大、抗电磁干扰和具有高隔离度等优点。目前成熟的微波光子混频方法主要应用于光纤通信中，但是，利用微波光子混频方法输出的信号除了目标频率外还含有大量杂散频率信号。这些无关信号虽然可以用滤波器进行滤除，但是在量子计算中由于各个超导量子比特本振频率只相差30MHz，微波激励信号的频率和杂散频率也只差几十兆赫兹，这就需要滤波器具有极高的精度，同时还要求滤波频率能随着量子比特本振频率的改变而变化。
目前有大量适用于光纤通信的微波光子混频方法，但是却缺乏一种在没有滤波条件情况下输出单一频率或高无杂散动态范围的适用于超导量子计算的微波光子混频方法。
因此，本发明的目的是提出一种用光混频代替传统量子计算中电混频的微波光子混频方法，该方法能在不需要额外滤波条件下产生不包含其他杂散频率信号或高无杂散动态范围的混频信号，利用该方法可以实现更利于小型集成化的超导量子计算量子比特控制全光系统。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示意性的示出了根据本发明的实施例提供的单一频率的信号产生方法。
如图1所示，单一频率的信号产生方法，包括：步骤S1-S5。
S1：根据射频信号和第一激光信号，得到第一光载波信号，第一光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号；
S2：根据本振信号和第二激光信号，得到第二光载波信号，第二光载波信号为带有﹢1阶射频信号的光载波信号，第一激光信号和第二激光信号相同；
S3：使第二光载波信号产生180°相移，得到相移信号，所述相移信号和所述第一光载波信号具有180°相位差；
S4：将相移信号与第一光载波信号合束，得到合束信号；以及
S5：使合束信号发生拍频，得到单一频率的信号。
根据本发明的实施例，在步骤S1之前，上述信号产生方法还包括：
将原始激光信号分成第一激光信号和第二激光信号。
图2示意性的示出了根据本发明的实施例提供的单一频率的信号产生系统的结构框图。
如图2所示，单一频率的信号产生系统包括：第一调制单元1、第二调制单元2、光移相器3、耦合器4、和光电探测器5。
第一调制单元1适用于将射频信号调制到第一激光信号上，得到第一光载波信号，第一光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号。
第二调制单元2适用于将本振信号调制到第二激光信号上，得到第二光载波信号，第二光载波信号为带有﹢1阶射频信号的光载波信号。
光移相器3适用于使第二光载波信号产生180°相移，得到相移信号，所述相移信号和所述第一光载波信号具有180°相位差；。
耦合器4适用于使相移信号与第一光载波信号合束，得到合束信号。
光电探测器5适用于使合束信号发生拍频，得到单一频率的信号。
根据本发明的实施例，光移相器3可以为基于LiNbO3的相位调制器，相位调制器利用的是光学中的线性电光效应，线性电光效应是指在外电场作用下，电光材料折射率的改变与外加电场强度成正比关系的效应。光移相器3适用于使第二光载波信号产生180°相移，并控制补偿使相移信号与第一光载波信号保持180°(π)的相位差，理论上相位相差π的两路相同信号会抵消，通过这种方式可以抑制单边带调制信号中的载波。
图3示意性的示出了根据本发明的实施例提供的光移相器的内部结构示意图。
如图3示，光移相器3由上下两个电极、波导和电光衬底组成。通过施加外加电场可以使光移相器3中的电光衬底晶体的有效折射率发生变化进而可以改变光移相器3输出光场的相位。
根据本发明的实施例，光电探测器5基于其半导体材料的光生伏特效应实现将光转换为电的功能。所谓的光生伏特效应是指由于光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。由于组成光电探测器5的半导体材料在激光的作用下折射率、吸收系数等光学性质将发生明显的变化从而表现出的非线性效应，使得光电探测器5受的光信号中所有频率分量会进行频率变换，进而可以输出各个频率分量之差的拍频信号。利用光电探测器5的上述特性，将调制进光路的射频信号和本振信号混频，能够实现上变频或下变频的功能，从而得到单一频率的信号。
图4示意性的示出了根据本发明的实施例提供的利用光电探测器进行混频的原理示意图。
如图4示，包含射频信号的光载波信号和包含本振信号的光载波信号分别加载到光电探测器上，由于光电探测器5非线性效应和平方律检波，使得信号和本振信号会进行拍频，进而使电探测器5输出两者的拍频(混频)信号。
根据本发明的实施例，采用上述方法生成的单一频率的信号(混频信号)，在不需要外加滤波装置条件下能实现高无杂散动态范围的效果。利用上述方法在光纤传输的超导量子计算系统中能实现用光混频替代传统电混频，在用微波光子链路传输操控信号的系统基础上，能实现全微波光子链路的超导量子比特操控系统，更利于系统的小型集成化。同时该方法还能用于光纤通信及其他要求输出单一混频信号且不外加滤波装置的系统中。
图5示意性的示出了根据本发明的实施例提供的信号流程示意图。
如图5中(a)-(b)部分所示，ωc为第一激光信号和第二激光信号的频率，ωRF和ωLO分别为所需混频的输入射频信号频率和本振频率。射频信号经第一调制单元1调制后形成第一光载波信号(上光路信号)，第一光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号，表示为ωc-ωRF；本振信号经第二调制单元2得到第二光载波信号(下光路信号)，第二光载波信号为带有﹢1阶射频信号的光载波信号ωc+ωLO，下路光信号通过经过一个光移相器3实现180°的相移，上下两路信号经耦合器4后合束，如图5中(c)部分所示，由于上下两路信号相位相差180°，因此，光载波抵消仅保留射频的-1阶边带和本振的+1阶边带。
继续参考图1，上述信号产生系统还包括：射频源6、本振信号源7、激光器8、光分束器9。
射频源6适用于产生射频信号。本振信号源7适用于产生本振信号。
激光器8适用于产生激光信号。光分束器9适用于将原始激光信号分成第一激光信号和第二激光信号。
根据本发明的实施例，光分束器9为50:50的光分束器。
根据本发明的实施例，第一调制单元1包括：第一电移相器11和第一双驱动马赫增德尔调制器12。第一电移相器11适用于将射频信号分成第一射频子信号和第二射频子信号，第一射频子信号和第二射频子信号功率相同，相位相差90°。第一双驱动马赫增德尔调制器12，包括：第一射频输入端口、第二射频输入端口。第一射频输入端口，用于输入第一射频子信号；第二射频输入端口，用于输入第二射频子信号。
第二调制单元2包括：第二电移相器21、第二双驱动马赫增德尔调制器22。第二电移相器21适用于将本振信号分成第一本振子信号和第二本振子信号，第一本振子信号和第二本振子信号功率相同，相位相差90°。第一双驱动马赫增德尔调制器22包括：第三射频输入端口、第四射频输入端口。第三射频输入端口适用于输入第一本振子信号。第四射频输入端口适用于输入第二本振子信号。
根据本发明的实施例，第一电移相器11可以为第一分支线耦合器，第二电移相器21可以为第二分支线耦合器。第一分支线耦合器是一种四端口微波器件，两个输出端口的相位差为90°。第二分支线耦合器也是一种四端口微波器件，两个输出端口的相位差为90°。分支线耦合器也称为分支线电桥或3dB电桥，常用于功率分配及合成。
图6示意性的示出了根据本发明的实施例提供的分支线耦合器内部结构示意图。
如图6所示，分支线耦合器是一个四端口微波器件，信号从1脚输入时，2脚3脚输出信号，功率相同各为输入功率的一半，相位相差90°，因此成为3dB分支电桥，4脚为隔离端，理论上无输出，可接匹配负载。
根据本发明的实施例，相关的基于马赫曾德尔调制器(MZM)的微波光子混频技术生成的混频信号通常具有大量的杂散边带信号。但是根据本发明的实施例的第一双驱动马赫增德尔调制器12和第二双驱动马赫增德尔调制器22是基于单边带调制的方式。单边带调制是通过对第一双驱动马赫增德尔调制器(第一双驱动MZM)施加特定相位差的射频信号和外加直流偏置电压实现的一种微波光子强度调制方式，或者对第二双驱动马赫增德尔调制器(第二双驱动MZM)施加特定相位差的本振信号和外加直流偏置电压实现的一种微波光子强度调制方式。经该单边带调制输出的信号光谱具有光载波和正一阶边带(或负一阶边带)，其余高阶边带在小信号调制时近似于零。本发明实施例的电相移器3提供相位相差π/2的射频信号用于MZM单边带调制。
图7示意性的示出了根据本发明的实施例提供的双驱动MZM的结构示意图。
如图7所示，双驱动MZM由上下两个LiNbO3晶体(上下两个支路)组成，其折射率随外部施加的直流偏置电压大小而变化。由于上下两个LiNbO3晶体折射率变化会导致输入的射频信号相位的变化，当两个支路信号在双驱动MZM的信号输出端再次结合在一起时，得到的输出光信号是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化，从而实现了光的强度调制。
图8示意性的示出了根据本发明的实施例提供的双驱动MZM单边带调制的光谱示意图。
如图8所示，通过将外加直流偏置电压设置为半波电压的一半，将驱动的射频信号或者本振信号相位差设置为π/2即可实现单边带调制。如图所示的光谱保留了光载波，+1阶边带信号和±2阶边带信号，抑制了-1阶边带信号。
根据本发明的实施例，射频源6与第一电移相器11之间采用同轴电缆连接，第一电移相器11与第一双驱动马赫增德尔调制器12之间采用同轴电缆连接，本振信号源7与第二电移相器21之间采用同轴电缆连接，第二电移相器21与第二双驱动马赫增德尔调制器22之间采用同轴电缆连接。
根据本发明的实施例，还提供了一种应用在量子计算中量子比特控制信号的产生方法，包括：如上所述的信号产生方法，得到单一频率的信号；以及将单一频率的信号作为超导量子比特的控制信号。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单一频率的信号产生方法，包括：
利用射频信号对第一激光信号进行单边带调制，得到第一光载波信号，所述第一光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号；
利用本振信号对第二激光信号进行单边带调制，得到第二光载波信号，所述第二光载波信号为带有﹢1阶边带本振信号的光载波信号，所述第一激光信号和所述第二激光信号相同；
使所述第二光载波信号产生180°相移，得到相移信号，所述相移信号和所述第一光载波信号具有180°相位差；
将所述相移信号与所述第一光载波信号合束，得到合束信号；所述合束信号中相位相差180°的信号相互抵消，以抑制载波，仅保留﹣1阶边带和+1阶边带；以及
使所述合束信号发生拍频，得到单一频率的信号。
2.如权利要求1所述的信号产生方法，还包括：
将原始激光信号分成所述第一激光信号和所述第二激光信号。
3.一种单一频率的信号产生系统，用于权利要求1或2所述的信号产生方法，所述系统包括：
第一调制单元，适用于将射频信号调制到所述第一激光信号上，得到第一光载波信号，所述第一光载波信号为带有﹣1阶边带射频信号的光载波信号；
第二调制单元，适用于将本振信号调制到所述第二激光信号上，得到第二光载波信号，所述第二光载波信号为带有﹢1阶射频信号的光载波信号；
光移相器，适用于使所述第二光载波信号产生180°相移，得到相移信号，所述相移信号和所述第一光载波信号具有180°相位差；
耦合器，适用于使所述相移信号与所述第一光载波信号合束，得到合束信号；以及
光电探测器，适用于使所述合束信号发生拍频，得到单一频率的信号。
4.如权利要求3所述的信号产生系统，其中，还包括：
射频源，适用于产生所述射频信号；
本振信号源，适用于产生所述本振信号；以及
激光器，适用于产生所述激光信号。
5.如权利要求3所述的信号产生系统，其中，还包括：
光分束器，适用于将原始激光信号分成所述第一激光信号和所述第二激光信号。
6.如权利要求5所述的信号产生系统，其中，
所述光分束器为50:50的光分束器。
7.如权利要求4所述的信号产生系统，其中，所述第一调制单元包括：
第一电移相器，适用于将所述射频信号分成第一射频子信号和第二射频子信号，所述第一射频子信号和第二射频子信号功率相同，相位相差90°；以及
第一双驱动马赫增德尔调制器，包括：
第一射频输入端口，用于输入所述第一射频子信号；以及
第二射频输入端口，用于输入所述第二射频子信号。
8.如权利要求7所述的信号产生系统，其中，所述第二调制单元包括：
第二电移相器，适用于将所述本振信号分成第一本振子信号和第二本振子信号，所述第一本振子信号和第二本振子信号功率相同，相位相差90°；以及
第二双驱动马赫增德尔调制器，包括：
第三射频输入端口，用于输入所述第一本振子信号；以及
第四射频输入端口，用于输入所述第二本振子信号。
9.如权利要求8所述的信号产生系统，其中，
所述射频源与所述第一电移相器之间采用同轴电缆连接，所述第一电移相器与所述第一双驱动马赫增德尔调制器之间采用同轴电缆连接，所述本振信号源与所述第二电移相器之间采用同轴电缆连接，所述第二电移相器与所述第二双驱动马赫增德尔调制器之间采用同轴电缆连接。
10.一种应用在量子计算中的信号产生方法，包括：
根据如权利要求1或2所述的信号产生方法，得到单一频率的信号；以及
将所述单一频率的信号作为超导量子比特的控制信号。
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