CN116090566A - 量子控制装置、量子控制系统和量子计算机 - Google Patents
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Abstract
本申请属于量子计算领域，涉及一种量子控制装置、量子控制系统及量子计算机，所述装置包括至少一个量子态调控模块、至少一个频率调控模块、至少一个测量模块、路由模块和背板，所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块和所述路由模块设置在所述背板上的插槽中；所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块均与所述路由模块通信连接，通过所述路由模块对外数据交互。利用本申请的控制装置构建量子芯片专用的量子控制系统的体积和成本将大大缩减，易于实现量子控制系统的集成和扩展，并且控制的量子比特数量可灵活配置，能够满足高量子位量子芯片的测控需求。
Description
技术领域
本申请涉及量子计算领域，尤其是涉及一种集成模块化的量子控制装置、量子控制系统和量子计算机。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子芯片是量子计算机的核心，量子芯片上集成有多位量子比特，为了保证量子比特的正常工作，需要搭建量子控制系统，通过量子控制系统中各种设备为每个量子比特提供各种控制信号，例如频率控制信号、量子态控制信号；此外对于量子比特运行完量子计算的结果，也需要进行读取测量。可想而知，当量子芯片上的量子比特的位数提高至几百位、甚至几千万位，运行更多更复杂的量子计算任务时，量子测量系统内需要的信号的数量也对应增加，走线更加复杂，系统的体积更加庞大。因此量子控制系统的集成和扩展是迫切需要解决的问题。
需要说明的是，公开于本申请背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本申请的目的在于提供一种量子控制装置、量子控制系统和量子计算机，以解决现有技术中的不足，本申请的控制装置结构采用模块化设计，并包括了用于量子芯片的量子比特调控和测量的全部功能单元，便于实现量子控制系统的集成和扩展。
为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种量子控制装置，包括：
至少一个量子态调控模块、至少一个频率调控模块、至少一个测量模块、路由模块和背板；
所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块和所述路由模块设置在所述背板上的对应插槽中；
所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块均与所述路由模块通信连接，通过所述路由模块对外数据交互，以使所述量子态调控模块输出初始量子态调控信号、所述频率调控模块输出初始频率调控信号以及所述测量模块输出初始测量信号。
可选地，所述量子态调控模块和所述频率调控模块能够调控的量子比特位数大于等于所述测量模块能够读取测量的量子比特位数。
可选地，所述量子态调控模块、所述频率调控模块和所述测量模块均设置有多路输出通道。
可选地，所述量子态调控模块包括第一DAC(Digital-to-Analog Convert，数字模拟转换)单元或第一AWG(Arbitrary Waveform Generator，任意波形发生器)单元，所述频率调控模块包括第二DAC单元或第二AWG单元，所述测量模块包括ADC/DAC(Analog-to-Digital Convert/Digital-to-Analog Convert，模拟数字转换/数字模拟转换)单元或包括第三DAC单元或第三AWG单元和DAQ(Data Acquisition，数据采集)单元的组合，所述路由模块包括现场可编程逻辑门阵列。
可选地，各所述量子态调控模块、各所述频率调控模块和各所述测量模块均以所述路由模块为中心分布设置在所述背板上的插槽中。
可选地，各所述量子态调控模块、各所述频率调控模块、各所述测量模块到所述路由模块的触发信号传输线路长度分别相等。
可选地，所述路由模块设置在所述背板的中央位置，各所述测量模块紧邻所述路由模块设置。
可选地，所述装置还包括控制模块，所述控制模块设置在所述背板的插槽中，所述控制模块用于获取各所述量子态调控模块、各所述频率调控模块、各所述测量模块的信号延时数据，并通过所述路由模块对外输出。
可选地，所述装置还包括散热组件，所述散热组件连接所述控制模块，所述控制模块根据所述装置内的温度信息发送温度控制指令至所述散热组件，以控制所述散热组件工作于不同状态。
可选地，所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块、所述路由模块和所述背板上均设置时钟同步电路，所有所述时钟同步电路采用同一时钟同步基准，用于对所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块和所述路由模块进行时钟同步控制。
可选地，所述装置还包括机箱，所述背板、所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块和所述路由模块均设置在机箱内。
可选地，所述装置还包括电源，所述电源设置在机箱内。
本申请的第二方面实施例提出了一种量子控制系统，包括至少一个如上任一项所述的量子控制装置。
可选地，所述系统还包括辅助外围设备，所述辅助外围设备包括若干个本振微波源、射频(Radio Frequency,RF)发射组件、射频(Radio Frequency,RF)收发组件和高精度电压源，所述本振微波源和所述RF发射组件配合所述控制装置产生用于量子比特的量子态信息调控的量子态调控信号，所述高精度电压源配合所述控制装置产生用于量子比特的频率调控的频率调控信号，所述本振微波源和所述RF收发组件配合所述控制装置产生用于量子比特的状态读取的测量信号以及接收量子芯片返回的读取回传信号。
可选地，所述系统还包括若干个微波源，所述微波源配合所述高精度电压源产生用于驱动约瑟夫森参量放大器的泵浦信号。
可选地，所述系统还包括至少一个中控装置，所述中控装置与所述控制装置的所述路由模块通信连接。
可选地，所述系统还包括服务器，所述中控装置、所述辅助外围设备、所述控制装置的所述路由模块和所述控制模块均与所述服务器通信连接。
本申请的第三方面实施例提出了一种量子计算机，包括如上所述的量子控制系统。
基于上述任一方面，本申请提出的量子控制装置包括至少一个量子态调控模块、至少一个频率调控模块、至少一个测量模块和路由模块，其中，所述量子态调控模块、所述频率调控模块和所述测量模块包括了对量子芯片中量子比特的调控和测量的全部功能单元，整个控制装置采用了模块化结构设计，各所述量子态调控模块、各所述频率调控模块和各所述测量模块和所述路由模块均设置在一块背板上的对应插槽中，集成度高；并且各所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块均与所述路由模块通信连接，通过所述路由模块对外数据交互，以使装置内布线简单、清晰，易于实现扩展；利用本申请的控制装置构建量子芯片专用的量子控制系统具有高度集成和可扩展性，其体积和成本将大大缩减，并且控制的量子比特数量可灵活配置，能够满足高量子位量子芯片的测控需求。
本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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示出了本申请一实施例所提供的一种量子控制装置结构示意图；
图2示出了本申请一实施例所提供的另一种量子控制装置结构示意图；
图3示出了本申请一实施例所提供的包括控制模块和散热组件的控制装置的结构示意图；
图4示出了本申请一实施例所提供的包括时钟同步电路的控制装置的结构示意图；
图5示出了本申请一实施例所提供的包括机箱和电源的控制装置的结构示意图；
图6示出了本申请一实施例所提供的一种量子控制系统结构示意图；
图7示出了本申请一实施例所提供的另一种量子控制系统结构示意图。
图中：
10-控制装置，20-本振微波源，30-RF发射组件，40-高精度电压源，50-RF收发组件，60-中控装置，70-网络交换机，80-机柜，90-服务器，1-量子控制系统；120-背板，130-路由模块，140-量子态调控模块，150-频率调控模块，160-测量模块，1401-第一DAC单元，1501-第二AWG单元，1601-ADC/DAC单元，170-控制模块，180-散热组件，190-电源，110-机箱。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
一般地，一个量子芯片上设有多个量子比特(也可称之为量子位)以及数据传输线，每个量子比特包括相互耦合连接的探测器和量子比特装置，其中，量子比特装置可以为利用超导约瑟夫森结和对地电容构成的人造超导量子比特，探测器可以为谐振腔。量子比特装置上设置有第一控制信号线和第二控制信号线，与量子比特装置耦合连接的探测器上设有第三控制信号线，其中，第一控制信号线用于传输对量子比特装置进行量子态信息调控的量子态调控信号，第二控制信号线用于传输对量子比特装置进行频率参数调控的频率调控信号，而第三控制信号线既用于传输对探测器进行测量的测量信号又用于将探测器返回的读取回传信号输出，以实现对量子比特装置状态的间接读取测量。因此，用于量子芯片中量子比特调控和测量的量子控制系统需要生成并输出三种控制信号分别提供给第一至第三控制信号线，以实现对量子芯片中量子比特的调控和测量。
如图1所示，本申请的一个实施例提供了一种量子控制装置，所述控制装置10包括背板120、路由模块130和至少一个量子态调控模块140、至少一个频率调控模块150、至少一个测量模块160，所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160和所述路由模块130设置在所述背板120上的插槽中。所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160均与所述路由模块130通信连接，通过所述路由模块130对外数据交互，以使所述量子态调控模块140和所述频率调控模块150分别输出初始量子态调控信号和初始频率调控信号以及控制所述测量模块160输出初始测量信号。
本申请实施例提出的量子控制装置中的所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160是对量子芯片中量子比特的调控和测量的全部功能单元，通过本申请实施例可以提供用于量子芯片中量子比特调控和测量的全部功能信号；整个控制装置采用了模块化结构设计，各所述量子态调控模块140、各所述频率调控模块150和各所述测量模块160和所述路由模块130均设置在一块背板120上的对应插槽中，集成度高；各所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160均与所述路由模块130通信连接，通过所述路由模块130对外数据交互，使得模块间的布线简单、清晰，易于扩展。
需要说明的是，本申请实施例的所述控制装置虽包括了完成量子芯片上的量子比特调控和测量的全部功能单元，但基于低成本、易集成和扩展、易维护、输出信号的高可靠性等因素考虑，在硬件架构方面，将所述控制装置10设计成为对量子芯片执行控制操作的量子控制系统的控制核心单元，而并不完全等同于完整的量子控制系统。因此本申请实施例的所述控制装置需要配套使用相关的辅助外围设备以形成完整的量子控制系统来完成量子芯片上的量子比特调控和测量操作。
具体的，所述路由模块130接收到外部服务器发送的量子计算任务后，向需要参与执行量子计算任务的所述量子态调控模块140和所述频率调控模块150发送量子比特调控指令和数据以及向所述测量模块160发送量子比特读取指令和数据，以使所述量子态调控模块140生成并输出包含量子态调控参数的初始量子态调控信号，所述频率调控模块150生成并输出包含量子比特频率调控参数的初始频率调控信号，所述测量模块160生成并输出包含量子比特状态读取参数的初始测量信号。
所述初始量子态调控信号发送至与所述控制装置配合使用的辅助外围设备处理成量子态调控信号并通过所述第一控制信号线提供给量子芯片以实现对量子比特装置的量子态信息调控；所述初始频率调控信号发送至与所述控制装置配合使用的辅助外围设备处理成频率调控信号并通过所述第二控制信号线提供给量子芯片以实现对量子比特装置的频率参数调控；所述初始测量信号发送至与所述控制装置配合使用的辅助外围设备处理成测量信号并通过所述第三控制信号线提供给量子芯片以对量子比特装置的状态读取测量；同时所述测量模块160还用于采集由所述第三控制信号线输出的量子比特装置的读取回传信号，并发送至所述路由模块130进行处理后输出至外部服务器。
另外，所述频率调控模块150还可以用于量子芯片中可调谐耦合量子比特的调控，因此，所述量子态调控模块140和所述频率调控模块150能够调控的量子比特位数大于等于所述测量模块160能够读取测量的量子比特位数。
需要注意的是，在图1中所述控制装置中各模块的数量为一个，在实际应用时，所述控制装置中各模块的数量可根据需要设置更多，在此不做限制，图1仅是为了便于本领域技术人员更好理解本申请技术方案所做的示意简图，不能视为对本申请的任何限制。在实际应用时，所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160的数量需要根据各模块的信号输出通道的数量结合需要调控和测量的量子芯片的量子比特位数进行设定，必要时也需要考虑量子芯片中存在可调谐耦合量子比特的情形。
需要补充的是，在实际应用中，所述第三控制信号线可以与所述探测器一一对应，但为了简化量子芯片的数据传输线结构，在量子芯片结构设计时也可以利用一根所述第三控制信号线对应多个所述探测器。例如，将一根所述第三控制信号线对应五个所述探测器，从而可以使用一根所述第三控制信号线实现对五个所述量子比特装置的状态读取测量。此种情况下，可以将一个所述测量模块160用于对量子芯片中五个量子比特的状态读取测量，此时，所述测量模块160的一路信号输出通道是输出一路初始测量信号，关于所述初始测量信号的合成与分解技术并不属于本申请保护的内容，在这里并不做详细介绍。
为了进一步提升所述控制装置所能调控的量子芯片中量子比特的数量，在本申请的一个实施例中，每个所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150和所述测量模块160的信号输出通道各设置为多路，即每个所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160的信号输出通道各为2路或2路以上，此时所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160可以输出的信号路数最大可达到各模块的信号输出通道数量。例如，当单个所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150和所述测量模块160的信号输出通道各为5路时，则此时所述控制装置能够调控的量子芯片中量子比特的数量将是单个所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150和所述测量模块160的信号输出通道为1路时数量的5倍。此时也有效提高了所述控制装置的集成度和可扩展性。
如图2所示，作为本申请实施例的具体实施，所述量子态调控模块140包括第一DAC单元1401或第一AWG单元，所述频率调控模块150包括第二DAC单元或第二AWG单元1501，所述测量模块160包括ADC/DAC单元1601或包括第三DAC单元或第三AWG单元和DAQ单元的组合；其中，所述第一DAC单元1401或第一AWG单元用于生成所述初始量子态调控信号；所述第二DAC单元或第二AWG单元1501用于生成所述初始频率调控信号；所述ADC/DAC单元1601或第三DAC单元或第三AWG单元用于生成所述初始测量信号并接收读取回传信号。需要注意的是，在图2中仅以所述量子态调控模块140包括第一DAC单元1401，所述频率调控模块150包括第二AWG单元1501，所述测量模块160包括ADC/DAC单元1601这一种实施方式进行示例说明，在实际应用时，所述控制装置中所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150和所述测量模块160的信号产生单元可根据需要选择不同的功能单元实现，在此不做限制，图2仅是为了便于本领域技术人员更好理解本申请技术方案所做的示意简图，不能视为对本申请的任何限制。
在量子控制系统中，用于对量子比特的量子态信息调控的第一控制信号线需要接收到包含量子态调控信息的微波脉冲信号，而该微波脉冲信号是基于所述DAC单元1401输出的所述初始量子态调控信号产生。用于对量子比特的频率参数调控的第二控制信号线需要接收到微波脉冲信号，该微波脉冲信号是基于所述第二AWG单元1501输出的所述初始频率调控信号产生。用于对量子比特的状态读取的第三控制信号线需要接收到读取脉冲信号，所述读取脉冲信号是基于所述ADC/DAC单元1601输出的所述初始测量信号产生。因此，所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160包括了对量子芯片中量子比特的调控和测量的全部功能单元。
所述路由模块130作为所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150和所述测量模块160对外数据交互的器件，需要具有数据转发与处理功能，并具备较高的数据传输时效性。一般可选用FPGA(Field Programmable Gate Array)、MCU(MicrocontrollerUnit))、MPU(Microprocessor Unit)或DSP(Digital Signal Processor)等。作为本申请实施例的具体实施，所述路由模块130包括现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，利用FPGA作为中央处理器，以此保证所述路由模块130具有较高的功能集成度和数据处理速度。另外还可以通过配套使用高速接口电路与所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150和所述测量模块160之间数据的高效、可靠地交互。
对于量子计算机中需要执行的量子计算任务来说，随着量子计算任务的种类和复杂度的提升，需要参与的量子比特数量也越来越多，即量子控制系统的输出通道也越来越多。针对需要执行的复杂量子计算任务，需要多个所述初始量子态调控信号和所述初始频率调控信号，即需要多个所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150共同作用，共同作用的所有模块输出的信号需要保持同步触发才能精准完成量子计算任务。
在本申请的一个实施例中，所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150和所述测量模块160均通过所述背板120上的通信线路与所述路由模块130通信连接。为了便于实现信号同步触发，在本申请的一个实施例中，各所述量子态调控模块140、各所述频率调控模块150、各所述测量模块160到所述路由模块130的触发信号传输线路长度分别相等，即属于同种功能类型的每个模块到所述路由模块130的触发信号传输线路等长，如每个所述量子态调控模块140到所述路由模块130的触发信号传输线路等长。由于各个所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160均与所述路由模块130连接，并由所述路由模块130作为数据收发站对外进行数据交互，因此设置各功能类型的模块到所述路由模块130的触发信号传输线路长度等长，可以有效保证所述路由模块130同时发送到多个所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160的触发信号同步，以使这些所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160对多个量子比特的量子态调控、频率调控及量子比特状态读取的相关操作信号可以同步触发，提高了量子计算任务执行结果的精确性。
进一步地，在本申请的一个实施例中，各所述量子态调控模块140、各所述频率调控模块150和各所述测量模块160均以所述路由模块130为中心分布设置在所述背板120上的各个插槽中。通过这样一种位置布局可以保证各个所述量子态调控模块140、各所述频率调控模块150和各所述测量模块160到所述路由模块130的触发信号传输线路长度最短，可有效提高信号时效性。另外，这样一种位置布局设计也使得所述控制装置中总的通信线路的长度最短，可以有效节约硬件成本。
更进一步地，在本申请的一个实施例中，所述路由模块130设置在所述背板120的中央位置，这样可进一步有利于实现各所述量子态调控模块140、各所述频率调控模块150和各所述测量模块160到所述路由模块130的触发信号传输线路长度最短化。此外，量子比特在执行量子计算任务时，对量子芯片施加的量子态调控信号、测量信号具有严格的时序要求，并且由于量子比特的相干时间短，量子比特对所述量子态调控信号、测量信号和采集信号的时效性比较敏感，因此，对所述量子态调控模块140输出的所述初始量子态调控信号和所述测量模块160输出的所述初始测量信号的时效性要求高，并且所述测量模块160在使用过程中一般不做校准。为了确保所述量子态调控模块140和所述测量模块160输出的信号具有长期稳定的高时效性，作为本申请实施例的具体实施，将各所述测量模块160紧邻所述路由模块130设置，将各所述量子态调控模块140环绕设置在所述路由模块130和/或所述测量模块160的两侧，而将各所述频率调控模块150环绕设置在所述量子态调控模块140的两侧，这样使得所述路由模块130和各所述量子态调控模块140、所述测量模块160之间的通信线路最短，同时也可确保各所述量子态调控模块140、所述测量模块160与所述路由模块130处于同一温区，两者之间数据交互时的线路延时短且信号受环境温度影响小。
通过前面对所述控制装置中各个器件的硬件结构的各种设计，在理想状态下通过硬件设计即可以实现保证各模块输出的对于多个量子比特的操控、测量和读取操作的信号同步触发了。然而在实际应用过程中，由于器件工作环境的温度变化、接插件的插拔等各种不可控的影响，依然会导致信号的延时出现误差，使得所述控制装置同时输出的对于多个量子比特的操控、测量和读取操作的信号同步触发难以保证，因此需要在每次任务开始前对同步触发进行校准(也可以理解为线路延时的校准)。为了实现对信号同步触发的校准，如图3所示，所述装置还包括控制模块170，所述控制模块170设置在所述背板120的插槽中，所述控制模块170用于通过所述背板120获取各所述量子态调控模块140、各所述频率调控模块150和各所述测量模块160的信号延时数据，并对外输出。由设置在所述控制装置外部的中控装置进行统一汇总处理。例如，所述中控装置可以根据延时数据情况，判断各个模块获得触发信号的延时情况，以协调不同模块的信号延时，使得所有的模块获得触发信号是等延时的。
此外，还可以使用模块时钟同步的方式来保证触发同步，如图4所示，所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160、所述路由模块130和所述背板120上均设置时钟同步电路，所有所述时钟同步电路采用同一时钟同步基准。其中，将位于所述背板120上的所述时钟同步电路作为时钟同步主控，将位于所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160、所述路由模块130上的各所述时钟同步电路作为时钟同步从属，由时钟同步主控管理各时钟同步从属以对所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160和所述路由模块130进行时钟同步控制，通过对所述控制装置中各模块进行时钟同步控制，可有效保证信号输出的时序是同步的。
进一步地，如图3所示，在本申请的一个实施例中，为了确保所述控制装置内各器件能够稳定可靠地工作，所述控制装置还可以包括散热组件180，所述散热组件180连接所述控制模块170，所述控制模块170收到来自于所述控制装置内多处的温度信息，并根据温度信息来发送温度控制指令至所述散热组件180，以控制所述散热组件180工作于不同状态，以为所述控制装置内部器件提供较佳的工作环境温度，同时也有效避免器件工作环境的温度变化导致信号延时的影响。
进一步地，如图5所示，在本申请的一个实施例中，所述装置还包括机箱110，将所述背板120、所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160和所述路由模块130集成设置在所述机箱110内。将整个所述控制装置装配在一个机箱110中，整机占用空间小，便于扩展。具体的，所述机箱110可以采用VPX机箱110、CPCI机箱110或者PXIE机箱110，在功能模块集成方面均能实现本申请实施例的量子控制功能需求。另外，为了进一步提高所述控制装置的集成度，可以将各所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160和所述路由模块130分别集成在一个板卡上，并将各板卡插入对应的所述插槽中，实现所述控制装置内的各所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160和所述路由模块130之间的集成组装。示例性的，所述量子态调控模块140优选采用基于FMC(The FPGA Mezzanine Card)的DAC板卡，所述频率调控模块150优选采用基于FMC的AWG板卡，所述测量模块160优选采用基于FMC的ADC/DAC板卡。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述控制装置还可以包括电源190，所述电源190设置在所述机箱110内。具体的，将所述电源190集成装配在所述背板120的电源190专用插槽中。优选地，所述电源190采用线性电源或开关电源。
如图6所示，基于同一发明构思，本申请的一个实施例还提出了一种量子控制系统1，包括至少一个如上述一些实施例提出的量子控制装置和多个辅助外围设备，所述辅助外围设备用于与所述控制装置配合以生成所述量子态调控信号、所述频率调控信号和所述测量信号以及接收所述读取回传信号，从而实现对量子芯片中量子比特的调控和测量操作。在本实施例中，所述辅助外围设备包括但不限于微波源、高精度电压源40、本振微波源20、RF发射组件30和RF收发组件50。其中，一个多通道所述量子态调控模块140结合一个所述本振微波源20和一个多通道RF发射组件30能够产生多路所述量子态调控信号；一个多通道所述频率调控模块150结合一个多通道高精度电压源40能够产生一个多路所述频率调控信号；一个多通道所述测量模块160结合一个所述本振微波源20和一个多通道RF收发组件50能够产生多路所述测量信号；同时，所述测量模块160能够通过所述多通道RF收发组件50接收多路所述读取回传信号。此外，还可以通过所述微波源配合所述高精度电压源产生约瑟夫森参量放大器(Josephson Parametric Amplifier，JPA)工作所需的泵浦信号。所述约瑟夫森参量放大器设置在所述第三控制信号线上，用于对所述读取回传信号进行放大处理，以保证所述控制装置获取到的是高精准的读取回传信号，确保量子计算任务执行结果的精确性。
如图7所示，在本申请的一个实施例中，所述量子控制系统1还可以包括至少一个机柜80，至少一个所述控制装置10和多个所述辅助外围设备设置在一个所述机柜80内，其中，每个所述机柜80中的所述辅助外围设备的数量根据多个所述控制装置10的需求设置，以实现与每个所述控制装置10的各所述量子态调控模块140、所述频率调控模块150、所述测量模块160和所述路由模块130的共同作用。另外，所述量子控制系统1还可以包括至少一个中控装置60，所述中控装置60与位于每个所述机柜80的每个所述控制装置10的所述路由模块130通信连接，以实现信号同步触发的功能，其通信线路可以选用网络交换机、高频线缆或网线直连的任一种或几种组合方式实现。此外，所述量子控制系统1还可以包括服务器90，服务器90可以是单个服务器，也可以是一个服务器组。服务器组可以是集中式的，也可以是分布式的，例如，服务器90可以是分布式系统。所述服务器90用于产生并输出量子计算任务。所述服务器90与位于每个所述机柜80的每个所述控制装置10的所述路由模块130和所述中控装置60通信连接，其通信线路可以选用网络交换机、高频线缆或网线直连的任一种或几种组合方式实现。优选的，所述量子控制系统还可以包括至少一个网络交换机70，在每个所述机柜80内设置至少一个所述网络交换机70，各所述辅助外围设备通过所述网络交换机70与所述服务器90通信连接。
由此可见，随着量子芯片上量子比特位数的增加，在实现所述量子控制系统时，可以以所述控制装置10作为控制核心单元进行扩展即可，所述控制装置10能够调控和测量的量子比特位数也可按需扩展，通过按需设置所述辅助外围设备、所述中控装置60和所述网络交换机70结合所述服务器90实现所述量子控制系统1的量子芯片测控功能。由此使得构建的量子芯片专用的量子控制系统的体积和成本将大大缩减，具备高度集成和可扩展性，并且控制的量子比特数量可灵活配置，能够满足高量子位量子芯片的测控需求。
基于同一发明构思，本申请的一个实施例还提出了一种量子计算机，包括上述的量子控制系统1。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
上述仅为本申请的优选实施例而已，并不对本申请起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本申请的技术方案的范围内，对本申请揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本申请的技术方案的内容，仍属于本申请的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种量子控制装置，其特征在于，包括：
至少一个量子态调控模块、至少一个频率调控模块、至少一个测量模块、路由模块和背板；
所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块和所述路由模块设置在所述背板上的对应插槽中；
所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块均与所述路由模块通信连接，通过所述路由模块对外数据交互，以使所述量子态调控模块输出初始量子态调控信号、所述频率调控模块输出初始频率调控信号以及所述测量模块输出初始测量信号。
2.如权利要求1所述的量子控制装置，其特征在于，所述量子态调控模块和所述频率调控模块能够调控的量子比特位数大于等于所述测量模块能够读取测量的量子比特位数。
3.如权利要求2所述的量子控制装置，其特征在于，所述量子态调控模块、所述频率调控模块和所述测量模块均设置有多路输出通道。
4.如权利要求3所述的量子控制装置，其特征在于，所述量子态调控模块包括第一DAC单元或第一AWG单元，所述频率调控模块包括第二DAC单元或第二AWG单元，所述测量模块包括ADC/DAC单元或包括第三DAC单元或第三AWG单元和DAQ单元的组合，所述路由模块包括现场可编程逻辑门阵列。
5.如权利要求1所述的量子控制装置，其特征在于，各所述量子态调控模块、各所述频率调控模块和各所述测量模块均以所述路由模块为中心分布设置在所述背板上的插槽中。
6.如权利要求5所述的量子控制装置，其特征在于，所述路由模块到各所述量子态调控模块、各所述频率调控模块以及各所述测量模块的触发信号传输线路长度分别相等。
7.如权利要求6所述的量子控制装置，其特征在于，所述路由模块设置在所述背板的中央位置，各所述测量模块紧邻所述路由模块设置。
8.如权利要求1所述的量子控制装置，其特征在于，所述装置还包括控制模块，所述控制模块设置在所述背板的插槽中，所述控制模块用于获取各所述量子态调控模块、各所述频率调控模块、各所述测量模块的信号延时数据，并对外输出。
9.如权利要求8所述的量子控制装置，其特征在于，所述装置还包括散热组件，所述散热组件连接所述控制模块，所述控制模块根据所述装置内的温度信息发送温度控制指令至所述散热组件，以控制所述散热组件工作于不同状态。
10.如权利要求1所述的量子控制装置，其特征在于，所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块、所述路由模块和所述背板上均设置时钟同步电路，所有所述时钟同步电路采用同一时钟同步基准，用于对所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块和所述路由模块进行时钟同步控制。
11.如权利要求1-10任一项所述的量子控制装置，其特征在于，所述装置还包括机箱，所述背板、所述量子态调控模块、所述频率调控模块、所述测量模块和所述路由模块均设置在机箱内。
12.如权利要求11所述的量子控制装置，其特征在于，所述装置还包括电源，所述电源设置在所述机箱内。
13.一种量子控制系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-12任一项所述的量子控制装置。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述系统还包括辅助外围设备，所述辅助外围设备包括若干个本振微波源、RF发射组件、RF收发组件和高精度电压源，所述本振微波源和所述RF发射组件配合所述控制装置产生用于量子比特的量子态信息调控的量子态调控信号，所述高精度电压源配合所述控制装置产生用于量子比特的频率调控的频率调控信号，所述本振微波源和所述RF收发组件配合所述控制装置产生用于量子比特的状态读取的测量信号以及接收量子芯片返回的读取回传信号。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统还包括若干个微波源，所述微波源配合所述高精度电压源产生用于驱动约瑟夫森参量放大器的泵浦信号。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个中控装置，所述中控装置与所述控制装置的所述路由模块通信连接。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述系统还包括服务器，所述中控装置、所述辅助外围设备、所述控制装置的所述路由模块均与所述服务器通信连接。
18.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求13-17任一项所述的量子控制系统。
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