CN116090570B - 一种量子位状态调控电路、测控电路及量子计算机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子计算机技术领域，特别是涉及一种量子位状态调控电路、测控电路及量子计算机，量子位状态调控电路设置在制冷设备中且与位于制冷设备中的量子处理器连接，调控电路包括：数字调制模块，被配置为对具有预设频率的数字信号的幅值和相位进行调制，输出第一数字信号和第二数字信号；数模转换模块，被配置为将第一数字信号和第二数字信号处理为第一模拟信号和第二模拟信号；信号处理模块，被配置为依据量子位的工作频率对第一模拟信号和第二模拟信号进行变频处理并输出量子位状态调控信号。本申请中调控电路能够尽量的降低功耗，并减少在制冷设备中所占空间，传输线路缩短，也避免了环境温度的较大改变，从而降低噪声的输入。

Description

一种量子位状态调控电路、测控电路及量子计算机

技术领域

本发明涉及量子计算机技术领域，特别是涉及一种量子位状态调控电路、测控电路及量子计算机。

背景技术

量子计算中，量子处理器、与其连接的测控电路的传输线等对环境噪声异常敏感，尤其是热噪声、电磁噪声与信号噪声。其中，信号噪声的解决比较麻烦，不仅需要尽可能降低量子计算机控制系统的噪声，也需要为量子处理器的信号线路增加多级降噪组件，更要考虑降噪组件额外导致的辐射、噪声、热功率等等。降低量子计算机控制系统的噪声并不是一件容易的事情，即使器件全部是理想的，由黑体辐射引起的Johnson-Nyquist噪声（简称热涨落噪声）引起的信号波动会随着信号一起进入量子处理器。

现有的量子计算机控制系统包括位于室温条件下的量子控制系统，所述量子控制系统包括与量子处理器连接的量子位状态调控电路，现有技术中量子位状态调控电路也设置于室温中，在向量子传输信号过程中，自然也会因为噪声导致输入到量子处理器中的信号不可控。

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

本申请为解决上述问题，提供一种量子位状态调控电路、测控电路及量子计算机。

本发明提供如下技术方案：

一种量子位状态调控电路，设置在制冷设备中且与位于所述制冷设备中的量子处理器连接，所述调控电路包括：

数字调制模块，其被配置为对具有预设频率的数字信号的幅值和相位进行调制，输出第一数字信号和第二数字信号；

数模转换模块，其被配置为将所述第一数字信号和所述第二数字信号处理为第一模拟信号和第二模拟信号；

信号处理模块，其被配置为依据量子位的工作频率对所述第一模拟信号和第二模拟信号进行变频处理并输出作为调控电路输入到量子处理器的量子位状态调控信号。

可选的，所述数字调制模块、所述数模转换模块、及所述信号处理模块集成于一个或者多个衬底上。

可选的，所述数字调制模块、所述数模转换模块、及所述信号处理模块采用CMOS工艺集成于一个或者多个衬底上。

可选的，还包括与所述数字调制模块通信连接的存储器模块，其被配置为存储频率控制字、幅值信息和相位信息。

可选的，所述数字调制模块包括：

数字信号发生器，其被配置为依据频率控制字输出具有预设频率的第一数字信号和第二数字信号；

相位调制器，其被配置为依据所述相位信息对所述第一数字信号和所述第二数字信号的相位进行调制；

幅值调制器，其被配置为依据所述幅值信息对所述第一数字信号和所述第二数字信号的幅值进行调制。

可选的，所述数字调制模块包括

数字信号发生器，其被配置为依据频率控制字输出具有的预设频率的数字信号；

正余弦查找表，其被配置为根据数字信号发生器产生的数字信号的预设频率确定对应频率的正余弦函数值，并输出与所述正余弦函数值对应的第一数字信号和第二数字信号；

相位调制器，其被配置为依据所述相位信息对所述数字信号直接进行相位调制，或对第一数字信号和所述第二数字信号的相位进行调制；

幅值调制器，其被配置为依据所述幅值信息对所述第一数字信号和所述第二数字信号的幅值进行调制。

可选的，所述数字调制模块还包括用于选择输出的复用器；

所述复用器的输入端用于接收经过幅值相位调制后的第一数字信号、第二数字信号、以及所述幅值信息；所述复用器的输出端用于输出所述第一数字信号和第二数字信号、和/或所述幅值信息；所述幅值信息经过数模转换模块后输出的幅值模拟信号作为调控电路输入到量子处理器的量子位状态调控信号。

可选的，所述数字调制模块还包括校准器，其被配置为对所述复用器输出的第一数字信号和第二数字信号进行校准。

可选的，所述调控电路包括衰减器模块，所述衰减器模块被配置为衰减所述调控电路输入到量子处理器的量子位状态调控信号。

可选的，所述调控电路包括滤波器模块，所述滤波器模块被配置为滤除所述调控电路输入到量子处理器的干扰信号。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种测控电路，利用上述量子位状态调控电路向量子处理器中输入量子位状态调控信号。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种量子计算机，包括上述测控电路。

本发明的有益效果在于：

（1）本申请中的量子位状态调控电路作为极低温环境下的框架电路支撑，能够降低功耗，并减少在制冷设备中所占空间，另外量子位状态调控电路与量子处理器均位于制冷设备内，这样传输线路缩短，也避免了环境温度的较大改变，从而降低噪声的输入，提高了数据的可控性。

（2）本发明在数字调制模块中，使用复用器可以实现频率/相位与幅值的2选1，这样可以使得幅值调制不经过数字信号发生器，幅值信息作为直流信号不需要经过校准器和信号处理模块，对应输出特殊的门处理操作的需求，结合第一模拟信号和第二模拟信号经过变频处理后的量子位调控信号，从而可以满足测控需求。

（3）本申请使用数字信号发生器产生量子比特所需的频率和相位偏移，减小了乘法器和加法器的数量，极大的降低了功耗，而且数字信号发生器可以确定量子比特的相位，从而实现相干操作，相对于直接采用SRAM存储所有调制的波形文件来说，降低了对存储器模块的要求，并且更适用于低温环境。

（4）本申请提供的测控电路及量子计算机，与量子位调控电路属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种量子位状态调控电路对含有设定频率的数字信号进行处理的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种量子位状态调控电路对幅值调制器输出的幅值信息进行处理的结构示意图。

图3为数字调制模块第一实施例的结构示意图；

图4为数字调制模块第二实施例的结构示意图；

图5为数字调制模块第三实施例的结构示意图；

图6为数字调制模块第四实施例的结构示意图。

附图标记中：

1、量子位状态调控电路；2、传输线；3、量子处理器；11、数字调制模块；12、数模转换模块；13、信号处理模块；14、衰减器模块；15、滤波器模块；16、存储器模块；17、放大器模块；111、数字信号发生器；112、相位调制器；113、幅值调制器；114、正余弦查找表；115、复用器；116、校准器。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，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。在本发明的描述中，“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。

对现在市场上已有的一些量子计算机而言，大都采用上位机、量子控制系统以及量子处理器的组合来实现一些量子计算任务，一般通过上位机通过传输线接收用户的量子计算任务，对量子计算任务进行处理并形成量子线路，然后将量子线路映射到对应量子处理器的拓扑结构中。量子线路中包含了本次量子计算任务所需要的量子逻辑门、最终量子计算结果的测量操作以及各个操作的时序，量子控制系统在接收到量子线路中包含的这些信息时，会将这些信息转化成相应指令以使得相应的硬件设备进行操作并完成量子计算任务。

一般地，量子控制系统包括:

量子位状态调控电路，用于对量子处理器进行量子态信息调控；

量子位频率调控电路，用于对量子处理器进行频率参数调控；

测量信号输出电路，用于向量子处理器传输对其进行测量读取的测量信号；

采样信号读取电路，用于读取量子处理器的回传信号，以实现对量子处理器状态的间接读取测量。

在量子处理器中包括量子芯片，所述量子芯片包括超导量子芯片和半导量子芯片，两种量子芯片对运行环境的需求类似，最基本的需求均为接近绝对零度的极低温环境，现有技术是将量子处理器放置在作为制冷设备的稀释制冷机中，量子计算过程会产生三种噪声：热噪声、环境电磁辐射噪声、控制线路带来的噪声。

抑制热噪声的主要方式是在稀释制冷机的基础上，为量子芯片设计能迅速带走热量的热沉装置；环境电磁辐射噪声分为电场辐射以及磁场辐射，主要解决方式是用包裹量子芯片的屏蔽桶。控制线路带来的噪声主要是由热效应引起，量子计算机控制系统发出的控制信号要从稀释制冷机接入，经过漫长的低温线路，最后到达量子控制器，而热噪声近似和温度成正比，可想而知，从室温传入的噪声，相比量子比特能级对应的噪声温度（约300mK）相差了近1000倍，如此大的噪声如果直接到达维持在10mK温度的量子处理器，则会直接破坏量子比特的量子相干性，现有技术的解决办法是通过各类特种低温滤波器抑制室温传入的信号。

而本申请中，为了能够降低量子测控系统中量子位状态调控电路对量子处理器输入信号干扰，本申请实施例公开了一种量子位状态调控电路，在该方案中，量子位状态调控电路1工作于1k到30K的温度范围内，如图1所示：所述量子位状态调控电路1包括：

数字调制模块11，其被配置为对具有预设频率的数字信号的幅值和相位进行调制，输出第一数字信号和第二数字信号，所述第一数字信号和第二数字信号互为正交信号；所述数字调制模块11采用DDS技术，从相位概念出发直接合成所需要的波形，具有频率精度高、转换时间短、频谱纯度高、频率相位易编程、输出的频率稳定度与系统的始终稳定度相同。

数模转换模块12，其被配置为将所述第一数字信号和所述第二数字信号处理为第一模拟信号和第二模拟信号；

信号处理模块13，其被配置为依据量子位的工作频率对所述第一模拟信号和第二模拟信号进行变频处理并输出量子位状态调控信号。所述信号处理模块13为IQ调制器。

所述数字调制模块11、所述数模转换模块12、及所述信号处理模块13集成于一个或者多个衬底上。具体地说，采用CMOS工艺集成于一个或者多个衬底上，这样即可实现量子位状态调控电路1的小型化，从而使得量子位状态调控电路1可放置于制冷设备中。在该方案中，制冷设备为稀释制冷机，需要说明的是制冷设备在实际运用中不限于稀释制冷机。

所述量子位状态调控电路1还包括与所述数字调制模块11通信连接的存储器模块16，其被配置为存储频率控制字、幅值信息和相位信息。所述存储器模块16可以为数字调制模块11内部的存储单元，也可以为数字调制模块11外部的单独存储模块。

所述数字调制模块11有如下四个实施例：

第一实施例中，如图3所示，所述数字调制模块11包括：

数字信号发生器111，其被配置为依据频率控制字输出具有预设频率的第一数字信号和第二数字信号；具体地说，所述数字信号发生器111为数字控制振荡器NCO，数字控制振荡器NCO内部包括可变模计数器和查找表，其中可变模计数器根据频率控制字计算出查找表从存储器模块16中调取数据所需的地址，查找表根据对应的相位连续的地址输出具有预设频率且正交的第一数字信号和第二数字信号。

相位调制器112，其被配置为依据所述相位信息对所述第一数字信号和所述第二数字信号的相位进行调制；具体地说，在相位调制器112中，第一数字信号和第二数字信号分别经过对应的加法器与所述相位信息相加，输出相位调制后的第一数字信号和第二数字信号；

幅值调制器113，其被配置为依据所述幅值信息对经相位调制后所述第一数字信号和所述第二数字信号的幅值进行调制；具体地说，在幅值调制器113中，经过相位调制后的第一数字信号和第二数字信号分别经过对应的乘法器与所述幅值信息相乘，最终获得幅值和相位均调制后的第一数字信号和第二数字信号。

第二实施例中，如图4所示，与第一实施例的区别在于，先进行幅值调制，再进行相位调制，详细过程不在赘述。

第三实施例中，如图5所示，所述数字调制模块11包括：

数字信号发生器111，其被配置为输出具有的预设频率的数字信号；

正余弦查找表114，其被配置为根据数字信号发生器111产生的数字信号的预设频率确定对应频率的正余弦函数值，并输出与所述正余弦函数值对应的第一数字信号和第二数字信号；所述正余弦查找表114从存储器模块16中调取数据，数字信号发生器111每送入正余弦查找表114一个查表地址时，正余弦查找表111检查存储器模块16中的当前查表地址处是否存储有对应的正弦值或余弦值，在存储有对应的正弦值或余弦值时，然后输出存储的当前正弦值和当前余弦值，分别形成预设频率的第一数字信号和第二数字信号，以及在没有存储有对应的正弦值或余弦值时，根据正弦值或余弦值的周期性计算出对应的正弦值或余弦值，输出计算的当前正弦值和当前余弦值，分别形成预设频率的第一数字信号和第二数字信号。

相位调制器112，其被配置为依据所述相位信息对所述数字信号直接进行相位调制，或对第一数字信号和所述第二数字信号的相位进行调制；具体地说，在相位调制器112中，第一数字信号和第二数字信号分别经过对应的加法器与所述相位信息相加，输出相位调制后的第一数字信号和第二数字信号；

幅值调制器113，其被配置为依据所述幅值信息对所述第一数字信号和所述第二数字信号的幅值进行调制。具体地说，在幅值调制器113中，经过相位调制后的第一数字信号和第二数字信号分别经过对应的乘法器与所述幅值信息相乘，最终获得幅值相位调制后的第一数字信号和第二数字信号。

第四实施例中，如图6所示，与第三实施例的区别在于，先进行幅值调制，再进行相位调制，详细过程不在赘述。

以上四个实施例中，数字控制振荡器NCO产生量子处理器3所需的频率和相位偏移，减小了乘法器和加法器的数量，极大的降低了功耗，而且数字控制振荡器NCO可以确定量子比特的相位，从而实现相干操作，相对于直接采用SRAM存储所有调制的波形文件来说，降低了对存储器模块16的要求，并且更适用于低温环境。所述相位调制器112和幅值调制器113能够满足对于量子比特的脉冲可变性。在该实施例中相位调制的为10bit，包络调制为8bit。

如图3-6所示，所述数字调制模块11还包括用于选择输出的复用器115；所述复用器115的输入端用于接收经过上述任意实施例中的幅值相位调制后的第一数字信号、第二数字信号、以及所述幅值信息；所述复用器115的输出端用于输出所述第一数字信号和第二数字信号、或所述幅值信息。使用复用器115可以实现数字信号与幅值信息的2选1，当选择数字信号时，数字信号经过数模转换模块和信号处理模块，输出作为调控电路其中一路输入到量子处理器的量子位状态调控信号，当选择作为直流信号的幅值信息时，幅值信息经过数模转换模块输出幅值模拟信号，幅值模拟信号不经过信号处理模块就可作为跳空高电路另外一路输入到量子处理器的量子位状态调控信号，该信号满足量子控制器3中特殊的门处理操作的需求，比如执行单比特门或两比特门的量子位频率调节；需要说明的是，所述幅值调制器113可以为任意波形发生器，复用器115的使用可以用于检测任意波形发生器产生的包络信号是否符合要求。

如图3-6所示，所述数字调制模块11还包括校准器116，校准器116被配置为对所述复用器115输出的第一数字信号和第二数字信号进行校准。由于作为信号处理模块13的IQ调制器的电子元器件并不是完全理想状态，输入的第一数字信号和第二数字信号幅值相位会产生失衡和/或产生DC偏移，失衡会产生镜像分量，偏移会影响信号的准确度，所以本申请设置校准器116校准第一数字信号和第二数字信号。示例的，校准器116通过镜像抑制的作用来校准信号时，所述校准器116被配置有在当前状态下的设定参数；再示例性的，校准器116通过校准DC偏移的作用来校准信号时，校准器116可以校正DC失衡并且去除不需要的边带音调，具体的，可以获取第一数字信号和第二数字信号两者的DC偏移值，通过多次获得偏移值，校准器116设定校准值，从而实现对DC偏移校准。

所述数字调制模块11的数量可以为多个，示例性的，和量子比特数量一致，这样在同一时刻可以产生用于多个量子比特的频率信号，从而具有丰富的频率复用扩展性。

可选方案中，在信号处理模块13前和/或后端设置的放大器模块17，前端设置的放大器模块17为VGA（variable gain amplifier）放大器，后端设置的放大器模块17为第一驱动放大器。在第一种方案中，信号处理器前端设置有VGA放大器（图中未示出），后端设置有驱动放大器。所述VGA放大器对模拟信号进行放大后再进行IQ调制，在第二方案中，如图1所示，在信号处理模块13后端设置驱动放大器17。

可选方案中，所述调控电路还包括衰减器模块14，所述衰减器模块14被配置为衰减所述调控电路输入到量子处理器的信号。所述衰减器模块14可以实现精确控制信号幅度和噪声的作用，衰减器模块14与放大器模块17结合，起到修正信号的作用。

可选方案中，所述调控电路还包括滤波器模块15，所述滤波器模块15被配置为滤除所述调控电路输入到量子处理器的干扰信号。所述滤波器模块15可以滤除输入到量子处理器的信号中不需要的音调/谐波。

本申请中的量子位状态调控电路1作为极低温环境下的框架电路支撑，能够尽量的降低功耗，并减少在制冷设备中所占空间，另外量子位状态调控电路1与量子处理器3均位于制冷设备内，这样传输线2路缩短，也避免了环境温度的较大改变，从而降低噪声的输入，提高了数据的可控性。

如图1-6所示，所述量子位状态调控电路1的工作原理如下：

上位机将用户的任务转换成可传输的信息，通过传输线2向量子控制系统中和其中的存储器模块16发送对应任务信息的信号；所述信号包括频率控制字、幅值信息、相位信息、校准信息；

所述数字调制模块11中的数字信号发生器111获得频率控制字，输出具有设定频率的数字信号，然后经过正余弦查找表114，输出形成预设频率的且正交的第一数字信号和第二数字信号；

相位调制器112和幅值调制器113对第一数字信号和第二数字信号进行相位调制和幅值调制，最终形成可输出的幅值和相位均已调制的数字信号，所述已调制好的数字信号和幅值调制器113输出的幅值信号通过复用器选择，可选择输出同时选择第一数字信号和第二数字信号，也可以选择输出幅值调制器113的幅值信号。如图1所示，当选择第一数字信号和第二数字信号时，两数字信号进入到校准器116中进行校准，最终输出到数模转换模块12进行数模转换，然后经过信号处理模块13进行IQ调制获得调制后的信号。如图2所示，当选择幅值信号时，幅值信号作为直流信号经过数模转换模块输出对应的幅值数字信号。幅值数字信号和调制后的信号经过放大器模块17、衰减器模块14、滤波器模块15处理，从而使得降低输入到量子处理器3的噪声，优化输入的量子位状态调控信号。

本发明实施例还提供了一种测控电路，该一种测控电路包括上述所有实施例的量子位状态调控电路1。

本发明实施例还提供一种量子计算机控制系统，该量子计算机控制系统包括上述所有实施例的测控电路。

需要说明的是，前述实施例提供的量子位状态调控电路1除了应用于量子计算机控制系统，也同样适用于任何具有正余弦信号生成需求的其他应用场景中，本发明对此不作限定。

在本说明书的描述中，参考术语 “一些实施例”或“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发明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。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明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，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种量子位状态调控电路，其特征在于，设置在制冷设备中且与位于所述制冷设备中的量子处理器连接，所述调控电路包括：

数字调制模块，其被配置为对具有预设频率的数字信号的幅值和相位进行调制，输出第一数字信号和第二数字信号；

数模转换模块，其被配置为将所述第一数字信号和所述第二数字信号处理为第一模拟信号和第二模拟信号；

信号处理模块，其被配置为依据量子位的工作频率对所述第一模拟信号和第二模拟信号进行变频处理并输出作为调控电路输入到量子处理器的量子位状态调控信号；所述信号处理模块为IQ调制器；

所述数字调制模块包括用于选择输出的复用器；

所述复用器的输入端用于接收经过幅值相位调制后的第一数字信号、第二数字信号、以及所述幅值信息；所述复用器的输出端用于输出所述第一数字信号和第二数字信号、和/或所述幅值信息；所述幅值信息经过数模转换模块后输出的幅值模拟信号作为调控电路输入到量子处理器的量子位状态调控信号。

2.如权利要求1所述的量子位状态调控电路，其特征在于，所述数字调制模块、所述数模转换模块、及所述信号处理模块集成于一个或者多个衬底上。

3.如权利要求2所述的量子位状态调控电路，其特征在于，所述数字调制模块、所述数模转换模块、及所述信号处理模块采用CMOS工艺集成于一个或者多个衬底上。

4.如权利要求1所述的量子位状态调控电路，其特征在于，还包括与所述数字调制模块通信连接的存储器模块，其被配置为存储频率控制字、幅值信息和相位信息。

5.如权利要求4所述的量子位状态调控电路，其特征在于，所述数字调制模块包括：

数字信号发生器，其被配置为依据频率控制字输出具有预设频率的第一数字信号和第二数字信号；

相位调制器，其被配置为依据所述相位信息对所述第一数字信号和所述第二数字信号的相位进行调制；

幅值调制器，其被配置为依据所述幅值信息对所述第一数字信号和所述第二数字信号的幅值进行调制。

6.如权利要求4所述的量子位状态调控电路，其特征在于，所述数字调制模块包括：

数字信号发生器，其被配置为依据频率控制字输出具有的预设频率的数字信号；

正余弦查找表，其被配置为根据数字信号发生器产生的数字信号的预设频率确定对应频率的正余弦函数值，并输出与所述正余弦函数值对应的第一数字信号和第二数字信号；

相位调制器，其被配置为依据所述相位信息对所述数字信号直接进行相位调制，或对第一数字信号和所述第二数字信号的相位进行调制；

幅值调制器，其被配置为依据所述幅值信息对所述第一数字信号和所述第二数字信号的幅值进行调制。

7.如权利要求1所述的量子位状态调控电路，其特征在于，所述数字调制模块还包括校准器，其被配置为对所述复用器输出的第一数字信号和第二数字信号进行校准。

8.如权利要求1或7所述的量子位状态调控电路，其特征在于，所述调控电路包括衰减器模块，所述衰减器模块被配置为衰减所述调控电路输入到量子处理器的量子位状态调控信号。

9.如权利要求1或7所述的量子位状态调控电路，其特征在于，所述调控电路包括滤波器模块，所述滤波器模块被配置为滤除所述调控电路输入到量子处理器的干扰信号。

10.一种测控电路，其特征在于，利用如权利要求1-9任意一项所述的量子位状态调控电路向量子处理器中输入量子位状态调控信号。

11.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求10所述的测控电路。