CN115902571B - 量子测控系统以及量子计算机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种量子测控系统，包括第一信号输出模块，用于基于预设时序将对应一量子比特测量总线连接的各量子比特的待处理波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线；其中，所述待处理波形包括量子比特需要被测量时的测量波形或量子比特不需要被测量时的空波形；信号采集模块，用于基于所述预设时序采集并处理所述量子比特测量总线输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的量子态信息；控制模块，用于向所述第一信号输出模块和所述信号采集模块输出作为所述预设时序开始时刻的同步触发信号。本申请的量子测控系统能够提高量子芯片上量子比特的利用率。

Description

量子测控系统以及量子计算机

技术领域

本申请属于量子测控领域，特别是量子测控系统以及量子计算机。

背景技术

量子芯片是量子计算的计算执行单元，由量子比特组成，为保证量子比特的运行和运行结果的数据，需要给量子比特提供运行控制指令和运行结果测量信号，对应的，在量子芯片上需要设置量子比特的运行控制指令线，例如超导量子比特的XY线和Z线；以及用于读取量子比特的量子态信息的量子比特测量总线。为保证量子芯片的集成和运行，较合理和常用的量子芯片结构为：量子芯片上设置多个量子比特；每个量子比特均配置运行控制指令线，根据量子比特的空间布局给量子比特配置量子比特测量总线，通常一根量子比特测量总线负责多个量子比特的量子态信息的测量，例如5个以上量子比特。

现有装置中，对一根量子比特测量总线连接的多个量子比特进行测试时，需要在测试工作执行前，确定每个量子比特的测量时刻和测量波形，并在上位机对多个测量波形进行叠加得到最终的测量波形，并将叠加后的测量波形发送至测控设备执行对量子比特的测试。显而易见的，现有的方案在测量过程中，不能对该根量子比特测量总线上的其他量子比特进行测量，需要等前一次测量任务结束，才可以进行下一次测量任务，不利于该根量子比特测量总线连接的量子比特的分别测量或按需测量，使得量子芯片上量子比特的利用率大大降低。

发明内容

本申请的目的是提供一种量子测控系统以及量子计算机，以解决现有技术中的量子芯片上量子比特的利用率低的缺点，它能够实现量子比特测量总线连接的量子比特的分别测量或按需测量，提高量子芯片上量子比特的利用率。

本申请一方面提供了一种量子测控系统，包括：

第一信号输出模块，用于基于预设时序将对应一量子比特测量总线连接的各量子比特的待处理波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线；其中，所述待处理波形包括量子比特需要被测量时的测量波形或量子比特不需要被测量时的空波形；

信号采集模块，用于基于所述预设时序采集并处理所述量子比特测量总线输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的量子态信息；

控制模块，用于向所述第一信号输出模块和所述信号采集模块输出作为所述预设时序开始时刻的同步触发信号。

可选的，所述第一信号输出模块还用于根据第一预设时间更新各所述量子比特的待处理波形；所述第一预设时间根据所述第一信号输出模块的工作时钟频率确定。

可选的，所述第一信号输出模块包括：

波形输出单元，用于基于所述预设时序将对应一量子比特测量总线连接的各量子比特的待处理波形生成并处理为一合成波形；

DAC单元，连接所述波形输出单元，用于接收所述合成波形并输出对应的量子比特读取信号至所述量子比特测量总线。

可选的，所述波形输出单元包括：

多个波形发生单元，任一所述波形发生单元用于产生一量子比特的待处理波形；

波形合成单元，连接多个所述波形发生单元，用于将多个所述波形发生单元输出的待处理波形处理为一合成波形。

可选的，所述DAC单元包括至少1个输出通道，任一所述输出通道均用于输出一量子比特读取信号至量子芯片上的一量子比特测量总线。

可选的，所述信号采集模块包括：

ADC单元，用于采集并处理所述量子比特测量总线输出的所述量子比特读取反馈信号以获得第一数字信号；其中，所述第一数字信号携带所述量子比特测量总线连接的被测量的量子比特的量子态信息；

数据处理单元，连接所述ADC单元，用于基于所述预设时序接收并处理所述第一数字信号以获得被测量的量子比特的量子态信息。

可选的，所述数据处理单元包括：

数据分发器，用于接收并处理所述第一数字信号以获得多个第一数据，以及输出多个所述第一数据；

多个运算器，连接所述数据分发器，每个所述运算器用于接收并处理一个所述第一数据，以及输出一个被测量的量子比特的量子态信息。

可选的，所述ADC单元包括至少1个采集通道，任一所述采集通道均用于采集一量子比特测量总线输出的量子比特读取反馈信号。

可选的，所述预设时序依据待执行的量子计算任务的执行时间和测量时间确定。

可选的，所述量子测控系统还包括任务管理模块，所述任务管理模块用于接收所述待执行的量子计算任务的执行时间和测量时间，并输出对应的预设时序。

可选的，所述量子测控系统还包括第二信号输出模块，所述第二信号输出模块用于基于所述预设时序输出控制信号至所述量子比特测量总线连接的多个量子比特，其中，所述控制信号用于调控所述量子比特的量子态信息。

可选的，所述第一信号输出模块和所述信号采集模块位于同一板卡上。

本申请的另一方面提供了一种量子测控系统，所述测控系统用于量子芯片上至少一量子比特测量总线连接的量子比特的测量；其中：所述量子比特的测量包括向量子比特施加量子比特读取信号以及预设延时后从量子比特采集和处理量子比特读取反馈信号；所述量子测控系统包括：

量子比特测量确定模块，被配置为确定一量子比特测量总线连接的各量子比特在当前时刻是否需要被测量的第一信息；

第一信号输出模块，用于根据所述第一信息将需要被测量量子比特对应的测量波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线；

信号采集模块，用于基于所述第一信息和所述预设延时采集并处理对应所述量子比特测量总线输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的量子态信息；

控制模块，用于向所述第一信号输出模块和所述信号采集模块输出用于确定所述预设延时的同步触发信号。

可选的，所述第一信号输出模块还用于根据第一预设时间更新各所述量子比特的测量波形；所述第一预设时间根据所述第一信号输出模块的工作时钟频率确定。

可选的，所述第一信号输出模块包括：

波形输出单元，用于根据所述第一信息将需要被测量量子比特对应的测量波形生成并处理为一合成波形；

DAC单元，连接所述波形输出单元，用于接收所述合成波形并输出对应的量子比特读取信号至所述量子比特测量总线。

可选的，所述波形输出单元包括：

多个波形发生单元，任一所述波形发生单元用于产生一量子比特的测量波形；

波形合成单元，连接多个所述波形发生单元，用于将多个所述波形发生单元输出的测量波形处理为一合成波形。

可选的，所述信号采集模块包括：

ADC单元，用于采集并处理所述量子比特测量总线输出的所述量子比特读取反馈信号以获得第一数字信号；其中，所述第一数字信号携带所述量子比特测量总线连接的被测量的量子比特的量子态信息；

数据处理单元，连接所述ADC单元，用于基于所述第一信息和所述预设延时接收并处理所述第一数字信号以获得被测量的量子比特的量子态信息。

可选的，所述数据处理单元包括：

数据分发器，用于接收并处理所述第一数字信号以获得多个第一数据，以及输出多个所述第一数据；

多个运算器，连接所述数据分发器，每个所述运算器用于接收并处理一个所述第一数据，以及输出一个被测量的量子比特的量子态信息。

可选的，所述量子比特测量确定模块包括：

量子计算任务接收模块，被配置为接收量子计算任务；

量子计算任务解析模块，被配置为解析所述量子计算任务并确定量子比特的任务执行时间和测量时间；

测量确定模块，被配置为基于所述执行时间和所述测量时间确定一量子比特测量总线连接的各量子比特在当前时刻是否需要被测量的第一信息。

本申请的再一方面提供了一种量子计算机，包括量子芯片和上述的量子测控系统；

所述量子芯片上设置有至少一组量子比特，所述每组量子比特连接一根量子比特测量总线；

所述每根量子比特测量总线的输入端连接一所述第一信号输出模块，所述每根量子比特测量总线的输出端连接一所述信号采集模块。

与现有技术相比，本申请的量子测控系统通过设置第一信号输出模块，用于基于预设时序将对应一量子比特测量总线连接的各量子比特的待处理波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线；其中，所述待处理波形包括量子比特需要被测量时的测量波形或量子比特不需要被测量时的空波形；并设置信号采集模块，用于基于所述预设时序采集并处理所述量子比特测量总线输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的量子态信息；实现对一量子比特测量总线连接的多个量子比特的分别测量或按需测量；并通过控制模块，用于向所述第一信号输出模块和所述信号采集模块输出作为所述预设时序开始时刻的同步触发信号，提高对量子比特的量子态信息分别测量或按需测量的精度，提高量子芯片上量子比特的利用率。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种量子芯片的电路结构图；

图2是本申请实施例提供的一种量子测控系统的结构组成图；

图3是本申请实施例提供的一种第一信号模块的结构组成图；

图4是本申请实施例提供的一种波形输出单元的结构组成图；

图5是本申请实施例提供的一种表征DAC输出通道的连接图；

图6是本申请实施例提供的一种信号采集模块的结构组成图；

图7是本申请实施例提供的一种数据处理单元的结构组成图；

图8是本申请实施例提供的一种表征ADC输出通道的连接图；

图9是本申请实施例提供的一种包括第二信号模块的量子测控系统的结构组成图；

图10是本申请实施例提供的一种包括任务管理模块的量子测控系统的结构组成图；

图11是本申请实施例提供的另一种量子测控系统的结构组成图；

图12是本申请实施例提供的另一种包括第一信号模块的量子测控系统结构组成图；

图13是本申请实施例提供的另一种包括信号采集模块的量子测控系统结构组成图；

图14是本申请实施例提供的一种量子比特测量确定模块的结构组成图。

附图标记说明：1-量子芯片，11-量子比特测量总线，12-量子比特，13-谐振腔，2-第一信号输出模块，21-波形输出单元，22-DAC单元，211-波形发生单元，212-波形合成单元，3-信号采集模块，31-ADC单元，32-数据处理单元，321-数据分发器，322-运算器，4-控制模块，5-第二信号输出模块，6-任务管理模块，7-量子比特测量确定模块，71-量子计算任务接收模块，72-量子计算任务解析模块，73-测量确定模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

如图1所示的量子芯片1，包括多个一一对应的且相互耦合的量子比特12和谐振腔13，各所述谐振腔13的远离对应量子比特12的一端连接量子比特测量总线11，量子比特测量总线11的输入端用于接收量子比特读取信号，量子比特测量总线11的输出端用于输出与量子比特读取信号对应的量子比特读取反馈信号，进而实现该量子比特测量总线11连接的多个量子比特12的量子态信息的测量。

在量子计算的执行过程中，常见的，一根量子比特测量总线11上连接的多个量子比特12被分配为执行不同的量子计算任务，这些任务执行完毕的时间取决于量子计算任务，对应的，执行不同量子计算任务的量子比特的量子态测量存在较大随机性，这一点对现有的量子测控系统存在较大的挑战。

具体的，在现有量子测控系统中，针对一根量子比特测量总线11上连接的多个量子比特12进行的测量任务需求，上位机事先获得该测量任务涉及的量子比特，并将对应该量子比特测量总线11上连接的所有量子比特12的测量波形在上位机进行叠加合成得到总测量波形，然后存储在量子测控系统内；待量子计算执行时，按需触发预先存储的总测量波形进而实现该量子比特测量总线11上连接的所有量子比特12的测量。现有过程整体采用的是上位机确定测量用波形（即总测量波形），上位机下发该测量用波形至测控系统，测控系统按需播放该测量用波形，整个过程测量信息的传输流为“上位机—测控系统—量子比特测量总线—量子芯片的量子比特”，不方便量子比特的灵活测量，同时，在量子计算机使用过程中，表现为需要等前一次测量任务结束，才可以进行下一次测量任务，使得量子芯片上量子比特的利用率大大降低，以及量子计算的执行效率大大降低。

基于此，本申请提出了一种量子测控系统，如图2所示，本申请实施例提供的一种量子测控系统，包括：第一信号输出模块2、信号采集模块3和控制模块4。

具体的，第一信号输出模块2用于基于预设时序将对应一量子比特测量总线11连接的各量子比特12的待处理波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线11；其中，所述待处理波形包括量子比特12需要被测量时的测量波形或量子比特12不需要被测量时的空波形；信号采集模块3用于基于所述预设时序采集并处理所述量子比特测量总线11输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特12的量子态信息；控制模块4用于向所述第一信号输出模块2和所述信号采集模块3输出作为所述预设时序开始时刻的同步触发信号。

本申请提供的量子测控系统，通过第一信号输出模块2将对应一量子比特测量总线11连接的各量子比特12的待处理波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线11，通过将对应一量子比特测量总线11连接的各量子比特12的待处理波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线11序采集并处理所述量子比特测量总线11输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特12的量子态信息，其中，所述待处理波形包括量子比特12需要被测量时的测量波形或量子比特12不需要被测量时的空波形。

该测控系统在量子计算任务的执行过程中，由于在量子测控系统内部确定合成波形，即根据量子比特12的是否需要被测量确定待处理波形为测量波形或者空波形；具体的，量子比特12需要被测量时确定待处理波形为测量波形，量子比特12不需要被测量时确定待处理波形为空波形。量子比特12是否需要被测量由量子计算任务本身决定。

所以该量子测控系统可以按照量子计算任务灵活发生，能够实现量子比特的灵活测量；同时，在量子测控系统内部确定合成波形，将量子计算执行过程中的测量信息的传输流“上位机—测控系统—量子比特测量总线—量子芯片的量子比特”缩短为“测控系统—量子比特测量总线—量子芯片的量子比特”，极大的提高了量子计算机整机的运行效率，与量子比特的灵活测量结构能够共同提高量子芯片资源的使用效率。

需要说明的是，对量子比特测量总线11连接的量子比特12进行测量包括对量子比特施加量子比特读取信号和采集从量子比特反馈的量子比特读取反馈信号的两个步骤，为保证量子比特的测量效果，对一量子比特测量时量子比特测量总线11的输入端的量子比特读取信号的接收时刻和量子比特测量总线11输出端的量子比特读取反馈信号的采集时刻需要具备相对稳定的时间关系，这一相对稳定的时间关系是根据量子计算机硬件设备性能确定的经验值，在此并不赘述该信息，而是设置在预设时序中。

为保障上述的相对稳定的时间关系，需要向第一信号输出模块2和信号采集模块3提供工作触发信号，故本申请的测控系统提供有用于向所述第一信号输出模块2和所述信号采集模块3输出作为所述预设时序开始时刻的同步触发信号的控制模块4。

需要说明的是，每一量子计算任务的量子比特测量时量子比特测量总线11的输入端的量子比特读取信号的接收时刻和量子比特测量总线11输出端的量子比特读取反馈信号的采集时刻，这两个时刻具有相对稳定的时间关系，在预设时序上可以看作为一个具有关联关系的事件时序。

本申请控制模块向所述第一信号输出模块和所述信号采集模块输出作为所述预设时序开始时刻的同步触发信号的过程中，所依据的预设时序即上述的一个事件时序的开始时刻。

而各量子计算任务分别对应的事件时序可以以某量子计算任务的事件时序上的某个时刻为开始时刻，根据实际情况叠加即形成预设时序，又可以称为总时序。

需要说明，以上事件时序的定义用于区分对应各量子计算任务的预设时序、以及对应某一量子计算任务测量的时序，并不构成本申请保护范围的限制。本质上，对应某一量子计算任务测量的时序是对应各量子计算任务的总时序的部分。而本申请的所述第一信号输出模块和信号采集模块，在工作时，可以在某一量子计算任务测量的事件时序的开始时刻同时启动工作；示例性的，第一个待执行的量子计算任务的事件时序的开始时刻同时启动工作。针对后续的其它量子计算任务，按照各量子计算任务的事件时序启动工作即可，即第一信号输出模块输出信号按照各量子计算任务的事件时序更新各量子计算任务对应的所述量子比特的待处理波形。

同时，为保证更新效果，所述第一信号输出模块2还根据自己的内秉的工作时钟特点更新各所述量子比特的待处理波形。具体的，所述第一信号输出模块2还用于根据第一预设时间更新各所述量子比特的待处理波形；所述第一预设时间根据所述第一信号输出模块2的工作时钟频率确定。

由上述可知，第一信号输出模块2用于基于预设时序将对应一量子比特测量总线11连接的各量子比特12的待处理波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线11；其中，所述待处理波形包括量子比特12需要被测量时的测量波形或量子比特12不需要被测量时的空波形；其中，预设时序是各事件时序的叠加，叠加结果显示不同时刻一量子比特测量总线11连接的各量子比特12的待处理波形不一样，具体的不一样是有一量子比特测量总线11连接的各量子比特12执行的量子计算任务决定，即是由一量子比特测量总线11连接的各量子比特12是否需要被测量决定。具体的，当一量子比特执行的量子计算任务执行完毕，需要被测量时，对应该量子比特的待处理波形为测量波形；当一量子比特执行的量子计算任务未执行完毕，不需要被测量时，对应该量子比特的待处理波形为空波形。

作为本申请的一种具体实施方式，如图3所示，本申请所述的第一信号输出模块2包括：相互连接的波形输出单元21和DAC单元22。

其中，波形输出单元21用于基于所述预设时序将对应一量子比特测量总线11连接的各量子比特12的待处理波形生成并处理为一合成波形；DAC单元22用于接收所述合成波形并输出对应的量子比特读取信号至所述量子比特测量总线11的输入端。

具体的，一量子比特测量总线11连接的量子比特12为多个，在某一时刻，多个量子比特12分为需要被测量的和/或不需要被测量。针对需要被测量的量子比特12，波形输出单元21内部提供对应的测量波形，针对不需要被测量的量子比特12，波形输出单元21内部提供对应的空波形。波形输出单元21内部把这些测量波形和/或空波形合成为一个合成波形，该合成波形可以实现当前时刻对一量子比特测量总线11连接的所有量子比特12的形式上的测量，实质上，仅实现对一量子比特测量总线11连接的所有量子比特12需要被测量的量子比特的测量。

而DAC单元22连接波形输出单元21，将合成处理后得到的合成波形处理为具体的模拟信号，即量子比特读取信号，并传输至一根量子比特测量总线11的输入端，实现对该根量子比特测量总线11连接的量子比特12的测量操作。

本申请通过在第一信号输出模块2内部确定对一量子比特测量总线11连接的所有量子比特12测量用的合成波形，相比在上位机确定一量子比特测量总线11连接的所有量子比特12测量用的合成波形，不仅极大提高量子比特测量的灵活性，还将量子计算执行过程中的测量信息的传输流“上位机—测控系统—量子比特测量总线—量子芯片的量子比特”缩短为“测控系统—量子比特测量总线—量子芯片的量子比特”，与量子比特的灵活测量结果极大的提高了量子计算机整机的运行效率。

为实现针对需要被测量的量子比特12，波形输出单元21内部提供对应的测量波形，针对不需要被测量的量子比特12，波形输出单元21内部提供对应的空波形，并把这些测量波形和/或空波形合成为一个合成波形，如图4所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述波形输出单元21包括：多个波形发生单元211和波形合成单元212。

其中，任一所述波形发生单元211用于存储并输出一量子比特12的待处理波形；波形合成单元212，连接多个所述波形发生单元211，用于将多个所述波形发生单元211输出的待处理波形处理为一合成波形。

具体的，波形发生单元211的数量等于一量子比特测量总线11连接的量子比特12的数量，且波形发生单元211与量子比特12一一对应，每个波形发生单元211的内部存储空间内存储一个测量波形和空波形、或仅存储一个测量波形，并在预设时序输出测量波形或空波形；具体的，预设时序上显示需要对该量子比特12进行测量时，波形发生单元211输出对应该量子比特的测量波形；预设时序上显示不需要对该量子比特12进行测量时，波形发生单元211输出一个空波形。

本申请的第一信号输出模块2内部设置于量子比特一一对应的波形发生单元211，用于在量子比特需要被测量时提供对应的测量波形，在量子比特不需要被测量时提供对应的空波形，并把对应一量子比特测量总线11连接的所有量子比特12的测量波形和/或空波形通过波形合成单元212合成为一合成波形，该合成波形通过DAC单元22转化为模拟信号（即量子比特读取信号），然后通过该根量子比特测量总线11实现其连接的所有量子比特的形式上全部测量，但实质上的量子比特按需灵活测量。

如图5所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述DAC单元22包括至少1个输出通道，任一所述输出通道均用于输出一量子比特读取信号至量子芯片1上的一量子比特测量总线11。本申请采用DAC单元22输出与合成波形对应的量子比特读取信号至量子芯片1上的一量子比特测量总线11输入端；具体的，DAC单元22的输出通道可以为1个，也可以为多个，每一个输出通道均连接量子芯片1上的一量子比特测量总线11的输入端。通过选用多个输出通道的DAC单元22，每个输出通道分别输出一个量子比特读取信号至一个量子比特测量总线11的输入端，实现对多个量子比特测量总线11连接的量子比特12的测量，有利于提高对量子比特的测量效率。

如图6所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述信号采集模块3包括：ADC单元31，用于采集并处理所述量子比特测量总线11输出的所述量子比特读取反馈信号以获得第一数字信号；其中，所述第一数字信号携带所述量子比特测量总线11连接的被测量的量子比特12的量子态信息；数据处理单元32，连接所述ADC单元31，用于接收并处理所述第一数字信号以获得被测量的量子比特12的量子态信息。

具体的，量子比特测量总线11的输出端输出的量子比特读取反馈信号为携带该根量子比特测量总线11连接的多个量子比特12的量子态信息的模拟信号。本申请通过设置ADC单元31采集携带量子态信息的量子比特读取反馈信号，并对该信号进行转换处理，转换为第一数字信号，便于通过后续处理获得被测量的量子比特12的量子态信息。

第一数字信号携带多个被测量的量子比特12的量子态信息，通过设置数据处理单元32连接ADC单元31，接收经过转换处理得到的第一数字信号，对第一数字信号进行处理，获得多个子信号，每个子信号都表征一个被测量的量子比特12的量子态信息，并对多个子信号进行处理，获得具体的量子态信息。

如图7所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述数据处理单元32包括：数据分发器321，用于接收并处理所述第一数字信号以获得多个第一数据，以及输出多个所述第一数据；多个运算器322，连接所述数据分发器321，每个所述运算器322用于接收并处理一个所述第一数据，以及输出一个被测量的量子比特12的量子态信息。

具体的，数据处理单元32接收到ADC单元31输出的第一数字信号是包含多个量子比特12的量子态信息的，通过设置数据分发器321接收第一数字信号，将第一数字信号按照被测量的量子比特12拆分为多个第一数据，每一个第一数据都表征一个被测量的量子比特12的量子态信息。并通过设置多个运算器322连接数据分发器321，每个运算器322接收一个第一数据并处理，获得对应的量子态信息。

通过设置数据分发器321以及多个运算器322将包含多个量子比特12的量子态信息的第一数字信号拆分并处理获得单个被测量的量子比特12的量子态信息，实现对一量子比特测量总线11连接的多个量子比特12的分别测量或者按需测量，提高量子芯片1上量子比特12的利用率。

如图8所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述ADC单元31包括至少1个采集通道，任一所述采集通道均用于采集一量子比特测量总线11输出的量子比特读取反馈信号。本申请采用ADC单元31采集量子芯片1上的一量子比特测量总线11的输出端输出的量子比特读取反馈信号；具体的，ADC单元31采集通道可以为1个，也可以为多个，每一个采集通道均连接量子芯片1上的一量子比特测量总线11的输出端。通过选用多个采集通道的ADC单元31，采集多根量子比特测量总线11的输出端输出的量子比特读取反馈信号，实现对多根量子比特测量总线11上连接的量子比特12的测量，有利于提高对量子比特12的测量效率。

结合图5和图8所示，可以看到每一根量子比特测量总线11均连接DAC单元22的一个输出通道，用于接收一个量子比特读取信号，以及连接ADC单元31的一个采集通道，用于输出量子比特读取反馈信号。

示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述波形输出单元21和所述数据处理单元32均为FPGA。波形输出单元21是用于生成需要对一量子比特测量总线11连接的量子比特12进行测量的测量波形，对应的数据处理单元32是用于对一个第一数据进行处理，本申请的量子测控系统在实施时，波形输出单元21和数据处理单元32均采用FPGA，可以通过FPGA的内存预存与每个量子比特12对应的测量波形和空波形，在需要测量的时刻直接输出波形即可；并且可以快速、及时的处理多个第一数据输出对应的结果，提高量子测控系统的测量效率。

示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述预设时序依据待执行的量子计算任务的执行时间和测量时间确定。量子计算任务通常是在量子芯片1上执行的，具体的，是在量子芯片1上的量子比特12上运行的。确定了待执行的量子计算任务后，即可以获得该量子计算任务的执行时间和测量时间，即量子比特12运行量子计算任务的执行时间以及对执行结果进行测量的测量时间，进而确定需要施加至量子比特12上的控制信号和量子比特读取信号的预设时序，

如图9所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子测控系统还包括第二信号输出模块5，所述第二信号输出模块5用于响应所述执行时间输出控制信号至所述量子比特测量总线11连接的多个量子比特12，其中，所述控制信号用于调控所述量子比特12的量子态信息。

具体的，通过量子测控系统对量子比特12的量子态信息进行测量，而量子比特12的量子态信息是通过第二信号输出模块5施加的控制信号进行调控的；控制信号需要根据运行的量子计算任务设定，并在执行时间施加至量子比特。通过第二信号输出模块5、第一信号输出模块2以及信号采集模3块协同作用，实现通过量子芯片1执行量子计算任务并通过测量和采集获得对应的任务结果。

如图10所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子测控系统还包括任务管理模块6，所述任务管理模块6用于接收所述待执行的量子计算任务的执行时间和测量时间，并输出对应的预设时序。

具体的，待执行的量子计算任务，可以为一个任务，也可以为多个任务；通过设置任务管理模块6接收多个待执行的量子计算任务，获取各量子计算任务的执行时间和测量时间，即量子比特12运行量子计算任务的执行时间以及对执行结果进行测量的测量时间，进而确定需要施加至量子比特12上的控制信号和测量信号的预设时序，提高量子测控系统对量子芯片1的测量效率。

此外，在量子芯片运行量子计算任务的过程中，任务管理模块6还可以接收新增的待执行量子计算任务，并基于新增的待执行量子计算任务的执行时间和测量时间将预设时序发送到第一信号输出模块2中处于空闲状态的波形发生单元211，通过该波形发生单元211输出测量波形至量子比特测量总线11上正在进行测量操作以外的量子比特12，实现对量子比特测量总线11上多个量子比特12的测量。

示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一信号输出模块2和所述信号采集模块3位于同一板卡上。当量子芯片1运行量子计算时，通过第一信号输出模块2和信号采集模块3可以实现对量子芯片1上的量子比特12进行测量和处理获得对应的量子态信息，进而获得计算结果。本申请的量子测控系统将第一信号输出模块2和信号采集模块3集成一个板卡上，通过增加板卡的方式进行扩展多个第一信号输出模块2和信号采集模块3，实现对更多位数的量子芯片1的测量。

如图11所示，基于同一申请构思，本申请另一实施例还提供了一种量子测控系统，所述测控系统用于量子芯片1上至少一量子比特测量总线11连接的量子比特12的测量；其中：所述量子比特12的测量包括向量子比特12施加量子比特读取信号以及预设延时后从量子比特采集和处理量子比特读取反馈信号；所述量子测控系统包括量子比特测量确定模块7、第一信号输出模块2、信号采集模块3和控制模块4。

量子比特测量确定模块7被配置为确定一量子比特测量总线11连接的各量子比特12在当前时刻是否需要被测量的第一信息；第一信号输出模块2用于根据所述第一信息将需要被测量的量子比特对应的测量波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线11；信号采集模块3用于基于所述第一信息和所述预设延时采集并处理对应所述量子比特测量总线11输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特12的量子态信息；控制模块4用于向所述第一信号输出模块2和所述信号采集模块3输出用于确定所述预设延时的触发信号。

具体的，一量子比特测量总线11连接的多个量子比特12，会根据其是否空闲对应安排执行量子计算任务，在量子比特12执行完量子计算任务时，需要对其进行测量操作。可以想象的是，随着多个量子比特12执行不同的量子计算任务以及对应的测量操作，需要对该根量子比特测量总线上的多个量子比特12随时进行测量操作以获得精确的量子态信息。

为了确保测量操作的及时进行，通过设置量子比特测量确定模块7，基于量子计算任务在量子比特测量总线11连接的各量子比特12的执行进度，确定当前时刻任务是否已执行完毕，是否需要对该量子比特进行测量操作，并将这些确定信息记录为第一信息，发送到第一信号输出模块2和信号采集模块3。

示例的，当第一信息为当前时刻量子比特需要被测量时，第一信号输出模块2会将当前时刻需要被测量的所有的量子比特对应的测量波形生成并处理为一合成波形，并输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线11。对应的，还需要在预设延时后通过信号采集模块3从量子比特测量总线上采集与量子比特读取信号对应的量子比特读取反馈信号，确保量子比特读取信号已到达量子比特并读取到量子比特的量子态信息，进而保证采集得到的量子比特读取反馈信号携带的量子态信息为准确的。

为保障第一信号输出模块2和信号采集模块3的相对稳定的预设延时，需要向第一信号输出模块2和信号采集模块3提供工作触发信号，故本申请的量子测控系统提供有用于向所述第一信号输出模块2和所述信号采集模块3输出作为于确定所述预设延时的触发信号的控制模块4。

本申请提供的量子测控系统，通过量子比特测量确定模块7确定一量子比特测量总线11连接的多个量子比特12在当前时刻需要进行测量操作的第一信息；其中，需要被测量的量子比特12可以为执行一个量子计算任务后需要被测量的量子比特12，也可以为执行不同的量子计算任务后需要被测量的量子比特12，还可以为执行新增的量子计算任务后需要被测量的量子比特12，并通过第一信号输出模块2基于第一信息输出测量波形至对应的量子比特12，通过信号采集模块3采集处理量子比特的量子态信息，实现该根量子比特测量总线11连接的多个量子比特12的异步测量。

为了更快的响应量子比特测量确定模块7发送的第一信息，所述第一信号输出模块2还根据自己的内秉的工作时钟特点更新各所述量子比特的测量波形。具体的，所述第一信号输出模块2还用于根据第一预设时间更新各所述量子比特的波形；所述第一预设时间根据所述第一信号输出模块的工作时钟频率确定。

如图12所示，作为本申请的一种具体实施方式，本申请所述的第一信号输出模块2包括：相互连接的波形输出单元21和DAC单元22。

其中，波形输出单元21用于基于所述第一信息将对应一量子比特测量总线11连接的各量子比特12的测量波形生成并处理为一合成波形；DAC单元22用于接收所述合成波形并输出对应的量子比特读取信号至所述量子比特测量总线11的输入端。

具体的，一量子比特测量总线11连接的量子比特12为多个，在某一时刻，多个量子比特12需要被测量。针对需要被测量的量子比特12，波形输出单元21内部提供对应的测量波形，波形输出单元21内部把这些测量波形合成为一个合成波形，该合成波形可以实现当前时刻对一量子比特测量总线11连接的若干个量子比特12的异步测量。

而DAC单元22连接波形输出单元21，将合成处理后得到的合成波形处理为具体的模拟信号，即量子比特读取信号，并传输至一根量子比特测量总线11的输入端，实现对该根量子比特测量总线11连接的量子比特12的测量操作。

结合图4所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述波形输出单元包括：多个波形发生单元211和波形合成单元212。其中，任一所述波形发生单元211用于存储并输出一量子比特12的测量波形；波形合成单元212，连接多个所述波形发生单元211，用于将多个所述波形发生单元211输出的测量波形处理为一合成波形。

具体的，波形发生单元211的数量等于一量子比特测量总线11连接的量子比特12的数量，且波形发生单元211与量子比特12一一对应，每个波形发生单元211的内部存储空间内存储一个测量波形并输出测量波形；具体的，通过第一信息确定当前时刻需要对该量子比特12进行测量时，波形发生单元211输出对应该量子比特的测量波形。当前时刻需要对多个量子比特进行测量时，多个波形发生单元211均会输出测量波形，并通过波形合成单元212将多个测量波形合成为一合成核心，该合成波形通过DAC单元22转化为模拟信号（即量子比特读取信号），然后通过该根量子比特测量总线11实现其连接的所有量子比特的异步测量。

继续如图13所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述信号采集模块包括：ADC单元31，用于采集并处理所述量子比特测量总线11输出的所述量子比特读取反馈信号以获得第一数字信号；其中，所述第一数字信号携带所述量子比特测量总线11连接的被测量的量子比特12的量子态信息；数据处理单元32，连接所述ADC单元31，用于接收并处理所述第一数字信号以获得被测量的量子比特12的量子态信息。

具体的，量子比特测量总线11的输出端输出的量子比特读取反馈信号为携带该根量子比特测量总线11连接的多个量子比特12的量子态信息的模拟信号。本申请通过设置ADC单元31采集携带量子态信息的量子比特读取反馈信号，并对该信号进行转换处理，转换为第一数字信号，便于通过后续处理获得被测量的量子比特12的量子态信息。

第一数字信号携带多个被测量的量子比特12的量子态信息，通过设置数据处理单元32连接ADC单元31，接收经过转换处理得到的第一数字信号，并通过响应触发信号对第一数字信号进行处理，获得多个子信号，每个子信号都表征一个被测量的量子比特12的量子态信息，并对多个子信号进行处理，获得具体的量子态信息。

继续如图7所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述数据处理单元包括：数据分发器321，用于接收并处理所述第一数字信号以获得多个第一数据，以及输出多个所述第一数据；多个运算器322，连接所述数据分发器321，每个所述运算器322用于接收并处理一个所述第一数据，以及输出一个被测量的量子比特12的量子态信息。

具体的，数据处理单元32接收到ADC单元31输出的第一数字信号是包含多个量子比特12的量子态信息的，通过设置数据分发器321接收第一数字信号，将第一数字信号按照被测量的量子比特12拆分为多个第一数据，每一个第一数据都表征一个被测量的量子比特12的量子态信息。并通过设置多个运算器322连接数据分发器321，每个运算器322接收一个第一数据并处理，获得对应的量子态信息。

通过设置数据分发器321以及多个运算器322将包含多个量子比特12的量子态信息的第一数字信号拆分并处理获得单个被测量的量子比特12的量子态信息，提高量子芯片1上量子比特12的利用率。

量子比特测量确定模块7设置于量子测控系统中，用于接收量子计算任务，并将量子计算任务解析为在量子芯片的量子比特上执行时需要施加的多种调控信号，以及执行任务后的测量时间需要进行的测量操作，并根据执行时间和测量时间确定量子比特的测量信息。

如图14所示，示例的，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子比特测量确定模块7包括：量子计算任务接收模块71，被配置为接收量子计算任务；量子计算任务解析模块72，被配置解析所述量子计算任务并确定量子比特的任务执行时间和测量时间；测量确定模块73，被配置为基于所述执行时间和所述测量时间确定一量子比特测量总线连接的各量子比特在当前时刻是否需要被测量的第一信息。基于同一申请构思，本申请实施例还提供一种量子计算机，包括量子芯片1和上述的量子测控系统，其中，所述量子芯片1上设置有至少一组量子比特12，所述每组量子比特12连接一根量子比特测量总线11；所述每根量子比特测量总线11的输入端连接一所述第一信号输出模块2，所述每根量子比特测量总线11的输出端连接一所述信号采集模块3。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机，计算机的具体形式可以是个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件收发设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任意几种设备的组合。

在一个典型的配置中，计算机包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带、磁盘存储、量子存储器、基于石墨烯的存储介质或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

在本说明书一个或多个实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims (20)

1.一种量子测控系统，其特征在于，包括：

第一信号输出模块，用于基于预设时序将对应一量子比特测量总线连接的各量子比特的待处理波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线；其中，所述待处理波形包括量子比特需要被测量时的测量波形或量子比特不需要被测量时的空波形；

信号采集模块，用于基于所述预设时序采集并处理所述量子比特测量总线输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的量子态信息；

控制模块，用于向所述第一信号输出模块和所述信号采集模块输出作为所述预设时序开始时刻的同步触发信号。

2.根据权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述第一信号输出模块还用于根据第一预设时间更新各所述量子比特的待处理波形；所述第一预设时间根据所述第一信号输出模块的工作时钟频率确定。

3.根据权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述第一信号输出模块包括：

波形输出单元，用于基于所述预设时序将对应一量子比特测量总线连接的各量子比特的待处理波形生成并处理为一合成波形；

DAC单元，连接所述波形输出单元，用于接收所述合成波形并输出对应的量子比特读取信号至所述量子比特测量总线。

4.根据权利要求3所述的量子测控系统，其特征在于，所述波形输出单元包括：

多个波形发生单元，任一所述波形发生单元用于产生一量子比特的待处理波形；

波形合成单元，连接多个所述波形发生单元，用于将多个所述波形发生单元输出的待处理波形处理为一合成波形。

5.根据权利要求3所述的量子测控系统，其特征在于，所述DAC单元包括至少1个输出通道，任一所述输出通道均用于输出一量子比特读取信号至量子芯片上的一量子比特测量总线。

6.根据权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述信号采集模块包括：

ADC单元，用于采集并处理所述量子比特测量总线输出的所述量子比特读取反馈信号以获得第一数字信号；其中，所述第一数字信号携带所述量子比特测量总线连接的被测量的量子比特的量子态信息；

数据处理单元，连接所述ADC单元，用于基于所述预设时序接收并处理所述第一数字信号以获得被测量的量子比特的量子态信息。

7.根据权利要求6所述的量子测控系统，其特征在于，所述数据处理单元包括：

数据分发器，用于接收并处理所述第一数字信号以获得多个第一数据，以及输出多个所述第一数据；

多个运算器，连接所述数据分发器，每个所述运算器用于接收并处理一个所述第一数据，以及输出一个被测量的量子比特的量子态信息。

8.根据权利要求6所述的量子测控系统，其特征在于，所述ADC单元包括至少1个采集通道，任一所述采集通道均用于采集一量子比特测量总线输出的量子比特读取反馈信号。

9.根据权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述预设时序依据待执行的量子计算任务的执行时间和测量时间确定。

10.根据权利要求9所述的量子测控系统，其特征在于，所述量子测控系统还包括任务管理模块，所述任务管理模块用于接收所述待执行的量子计算任务的执行时间和测量时间，并输出对应的预设时序。

11.根据权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述量子测控系统还包括第二信号输出模块，所述第二信号输出模块用于基于所述预设时序输出控制信号至所述量子比特测量总线连接的多个量子比特，其中，所述控制信号用于调控所述量子比特的量子态信息。

12.根据权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述第一信号输出模块和所述信号采集模块位于同一板卡上。

13.一种量子测控系统，其特征在于，所述测控系统用于量子芯片上至少一量子比特测量总线连接的量子比特的测量；其中：所述量子比特的测量包括向量子比特施加量子比特读取信号以及预设延时后从量子比特采集和处理量子比特读取反馈信号；所述量子测控系统包括：

量子比特测量确定模块，被配置为确定一量子比特测量总线连接的各量子比特在当前时刻是否需要被测量的第一信息；

第一信号输出模块，用于根据所述第一信息将需要被测量量子比特对应的测量波形生成并处理为一合成波形，以及输出与所述合成波形对应的一量子比特读取信号至所述量子比特测量总线；

信号采集模块，用于基于所述第一信息和所述预设延时采集并处理对应所述量子比特测量总线输出的量子比特读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的量子态信息；

控制模块，用于向所述第一信号输出模块和所述信号采集模块输出用于确定所述预设延时的触发信号。

14.根据权利要求13所述的量子测控系统，其特征在于，所述第一信号输出模块还用于根据第一预设时间更新各所述量子比特的测量波形；所述第一预设时间根据所述第一信号输出模块的工作时钟频率确定。

15.根据权利要求13所述的量子测控系统，其特征在于，所述第一信号输出模块包括：

波形输出单元，用于根据所述第一信息将需要被测量量子比特对应的测量波形生成并处理为一合成波形；

DAC单元，连接所述波形输出单元，用于接收所述合成波形并输出对应的量子比特读取信号至所述量子比特测量总线。

16.根据权利要求15所述的量子测控系统，其特征在于，所述波形输出单元包括：

多个波形发生单元，任一所述波形发生单元用于产生一量子比特的测量波形；

波形合成单元，连接多个所述波形发生单元，用于将多个所述波形发生单元输出的测量波形处理为一合成波形。

17.根据权利要求13所述的量子测控系统，其特征在于，所述信号采集模块包括：

ADC单元，用于采集并处理所述量子比特测量总线输出的所述量子比特读取反馈信号以获得第一数字信号；其中，所述第一数字信号携带所述量子比特测量总线连接的被测量的量子比特的量子态信息；

数据处理单元，连接所述ADC单元，用于基于所述第一信息和所述预设延时接收并处理所述第一数字信号以获得被测量的量子比特的量子态信息。

18.根据权利要求17所述的量子测控系统，其特征在于，所述数据处理单元包括：

数据分发器，用于接收并处理所述第一数字信号以获得多个第一数据，以及输出多个所述第一数据；

多个运算器，连接所述数据分发器，每个所述运算器用于接收并处理一个所述第一数据，以及输出一个被测量的量子比特的量子态信息。

19.根据权利要求13所述的量子测控系统，其特征在于，所述量子比特测量确定模块包括：

量子计算任务接收模块，被配置为接收量子计算任务；

量子计算任务解析模块，被配置为解析所述量子计算任务并确定量子比特的任务执行时间和测量时间；

测量确定模块，被配置为基于所述执行时间和所述测量时间确定一量子比特测量总线连接的各量子比特在当前时刻是否需要被测量的第一信息。

20.一种量子计算机，其特征在于，包括量子芯片和权利要求1-12任一项或权利要求13-19任一项所述的量子测控系统；

所述量子芯片上设置有至少一组量子比特，所述每组量子比特连接一根量子比特测量总线；

所述每根量子比特测量总线的输入端连接一所述第一信号输出模块，所述每根量子比特测量总线的输出端连接一所述信号采集模块。