CN116204281A - 量子控制系统以及量子计算机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种量子控制系统，包括多个任务处理模块和多个读取测量模块，各所述任务处理模块和所有所述读取测量模块均通信连接；每个所述读取测量模块，用于基于固定参数对量子处理器上的量子比特读取总线连接的用于执行量子计算任务的量子比特进行读取测量并获得测量结果；每个所述任务处理模块，用于基于参数信息确定待进行读取测量的目标读取测量模块及其执行参数、及获得所述目标读取测量模块的测量结果。本申请能提高对量子比特的测量效率，进而提高量子处理器上量子比特的利用率。

Description

量子控制系统以及量子计算机

技术领域

本申请属于测控系统，特别是一种量子控制系统以及量子计算机。

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。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来,信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利，也就更能确保运算具备精准性。

量子计算机的核心是量子处理器，量子处理器用于执行若干个量子计算任务。除了量子处理器，还需要配套相应的量子计算机系统对量子处理器的各个运行结果进行测量和采集时，现有的量子计算机系统的工作以量子计算任务为执行单元，即完成对一个量子计算任务的运行结果的数据采集后，才可以对下一个量子计算任务的运行结果的数据采集。可想而知，当量子处理器的位数增多，需要运行更多个量子计算任务时，现有的量子计算机系统对量子处理器的测量效率非常低，使得量子处理器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控制系统以及量子计算机，以解决现有技术中对量子处理器的测试效率非常低进而导致量子比特的利用率低的不足，本申请能提高量子处理器上量子比特的利用率。本申请的技术方案如下：

本申请的一方面提供了一种量子控制系统，包括：多个任务处理模块和多个读取测量模块，各所述任务处理模块和所有所述读取测量模块均通信连接；每个所述读取测量模块，用于基于固定参数对量子处理器上的量子比特读取总线连接的用于执行量子计算任务的量子比特进行读取测量并获得测量结果；每个所述任务处理模块，用于基于参数信息确定待进行读取测量的目标读取测量模块及其执行参数、及获得所述目标读取测量模块的测量结果。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述量子计算任务的参数信息包括比特信息；所述任务处理模块基于所述比特信息确定待进行读取测量的所述读取测量模块作为目标读取测量模块。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述量子计算任务的参数信息包括量子比特被测量的时序信息；所述任务处理模块基于所述时序信息确定所述目标读取测量模块的执行参数。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述量子控制系统还包括固定参数配置模块，连接各所述读取测量模块，用于基于配置指令配置所述固定参数至各所述读取测量模块。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述固定参数包括用于每个量子比特测量的测量波形，或用于每个量子比特测量的测量波形和用于对每个量子比特的读取反馈信号处理的处理系数。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述量子控制系统还包括触发管理模块，用于接收所述任务处理模块发送的表示所述量子计算任务的参数信息配置完成的就绪信号，并输出用于所述目标读取测量模块触发启动的第一触发信号。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述量子控制系统还包括复位模块，连接各所述任务处理模块，用于基于复位信号清除所述任务处理模块当前配置的量子计算任务的参数信息。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述量子控制系统还包括存储器模块，连接各所述任务处理模块，用于存储各所述任务处理模块发送的对应每个量子计算任务的测量结果以及发送所述测量结果。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述量子控制系统还包括仲裁模块，用于对所述存储器模块存储或发送所述测量结果进行仲裁。

如上所述的量子控制系统，进一步的，各所述任务处理模块为设置在FPGA内的处理器；所述存储器模块为设置在所述FPGA外的存储器。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述量子控制系统还包括：数据通信模块，连接各所述任务处理模块和各所述读取测量模块，用于基于比特信息提供所述固定参数、及基于量子计算任务的编号信息向各所述任务处理模块提供量子计算任务的参数信息。

如上所述的量子控制系统，进一步的，设置在同一FPGA内的各所述任务处理模块和所述数据通信模块共用一条通信链路。

如上所述的量子控制系统，进一步的，每个所述任务处理模块还被配置为：在量子计算任务对应的所有所述目标读取测量模块均获得当前读取反馈信号的测量结果时输出任务完成信号。

如上所述的量子控制系统，进一步的，每个所述读取测量模块，被配置为对量子处理器上的一量子比特读取总线连接的量子比特进行整体测量。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述读取测量模块包括：第一信号输出模块，用于基于所述执行参数输出与预设的用于一根量子比特读取总线连接的所有量子比特测量的测量波形对应的一读取信号至所述量子比特读取总线；第一信号采集模块，用于基于所述执行参数采集并处理所述量子比特读取总线输出的读取反馈信号，获得对应所有量子比特的测量结果；第一控制模块，用于向所述第一信号输出模块和所述第一信号采集模块输出作为所述执行参数开始时刻的同步触发信号。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述第一信号输出模块包括：第一波形输出单元，用于基于所述执行参数输出预设的用于一根量子比特读取总线连接的所有量子比特测量的测量波形；第一DAC单元，连接所述第一波形输出单元，用于接收所述测量波形并输出对应的读取信号至所述量子比特读取总线。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述第一信号采集模块包括：第一ADC单元，用于采集并处理所述量子比特读取总线输出的所述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读取总线连接的所有量子比特的测量结果；第一数据处理单元，连接所述第一ADC单元，用于基于所述执行参数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测量结果。

如上所述的量子控制系统，进一步的，每个所述读取测量模块，被配置为对量子处理器上的一量子比特读取总线连接的量子比特以单个量子比特为单位进行测量。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述读取测量模块包括：第二信号输出模块，用于基于执行参数将对应一量子比特读取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读取信号至所述量子比特读取总线；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；第二信号采集模块，用于基于所述执行参数采集并处理所述量子比特读取总线输出的读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的测量结果；第二控制模块，用于向所述第二信号输出模块和所述第二信号采集模块输出作为所述执行参数开始时刻的同步触发信号。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述第二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二信号输出模块的工作时钟频率确定。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述第二信号输出模块包括：第二波形输出单元，用于基于所述执行参数将对应一量子比特读取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；第二DAC单元，连接所述第二波形输出单元，用于接收所述合成波形并输出对应的读取信号至所述量子比特读取总线。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述第二波形输出单元包括：多个波形发生器，任一所述波形发生器用于产生一量子比特的待处理波形；波形合成器，连接多个所述波形发生器，用于将多个所述波形发生器输出的待处理波形处理为一合成波形。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述第二信号采集模块包括：第二ADC单元，用于采集并处理所述量子比特读取总线输出的所述读取反馈信号以获得第二数字信号；其中，所述第二数字信号携带所述量子比特读取总线连接的被测量的量子比特的测量结果；第二数据处理单元，连接所述第二ADC单元，用于基于所述执行参数接收并处理所述第二数字信号以获得被测量的量子比特的测量结果。

如上所述的量子控制系统，进一步的，所述第二数据处理单元包括：数据分发器，用于接收并处理所述第二数字信号以获得多个第二数据，以及输出多个所述第二数据；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二数据，以及输出一个被测量的量子比特的测量结果。

本申请另一方面提供一种量子计算机，包括上述的量子控制系统和量子处理器；所述量子控制系统控制所述量子处理器进行处理多个量子计算任务。

与现有技术相比，本申请的量子控制系统包括多个任务处理模块和多个读取测量模块，各所述任务处理模块和所有所述读取测量模块均通信连接；通过任务处理模块获得与各量子计算任务对应的参数信息，并根据参数信息确定执行测量任务的目标读取测量模块及其执行参数，由目标读取测量模块根据与量子比特相关的固定参数、以及任务处理模块发送的执行参数对执行量子计算任务的量子比特进行测试获得测量结果，并将测量结果发送给任务处理模块。每个任务处理模块均可以接收与量子计算任务对应的测量任务，并根据参数信息调用各个目标读取测量模块对量子比特进行测量，使得对量子处理器的测量效率大大提高，进而提高了量子处理器上量子比特的利用率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种量子控制系统图；

图2为本申请实施例提供的一种包括固定参数配置模块的量子控制系统图；

图3为本申请实施例提供的一种包括触发管理模块的量子控制系统图；

图4为本申请实施例提供的一种包括复位模块的量子控制系统图；

图5为本申请实施例提供的一种包括存储器模块的量子控制系统图；

图6为本申请实施例提供的一种包括存储器模块和仲裁模块的量子控制系统图；

图7为本申请实施例提供的一种包括数据通信模块的量子控制系统图；

图8为本申请实施例提供的一种读取测量模块的组成图；

图9为本申请实施例提供的一种读取测量模块内的功能单元组成图；

图10为本申请实施例提供的另一种读取测量模块的组成图；

图11为本申请实施例提供的另一种读取测量模块内的功能单元组成图；

图12为本申请实施例提供的一种第二波形输出单元的组成图；

图13为本申请实施例提供的一种第二数据处理单元的组成图。

附图标记说明：1-任务处理模块，2-读取测量模块，3-固定参数配置模块，4-触发管理模块，5-复位模块，6-存储器模块，7-仲裁模块，8-数据通信模块，10-量子比特读取总线，21-第一信号输出模块，22-第一信号采集模块，23-第一控制模块，24-第二信号输出模块，25-第二信号采集模块，26-第二控制模块,211-第一波形输出单元，212-第一DAC单元，221-第一ADC单元，222-第一数据处理单元，241-第二波形输出单元，242-第二DAC单元，251-第二ADC单元，252-第二数据处理单元，2411-波形发生器，2412-波形合成器，2521-数据分发器，2522-运算器。

具体实施方式

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，本申请的实施例提供了一种量子控制系统，包括多个任务处理模块1和多个读取测量模块2，各所述任务处理模块1和所有所述读取测量模块2均通信连接；每个所述读取测量模块2，用于基于固定参数对量子处理器上的量子比特读取总线10连接的用于执行量子计算任务的量子比特进行读取测量并获得测量结果；每个所述任务处理模块1，用于基于参数信息确定待进行读取测量的目标读取测量模块及其执行参数、及获得所述目标读取测量模块的测量结果。

具体的，量子处理器上集成多根量子比特读取总线10，每一根量子比特读取总线10均连接若干个量子比特。每一个读取测量模块2用于对一根量子比特读取总线10连接的量子比特进行读取测量，读取测量模块2在测量时可以测量该根量子比特读取总线10连接的一个量子比特，也可以测量该根量子比特读取总线10连接的多个量子比特，根据执行量子计算任务的量子比特数量灵活测量。

量子处理器上的量子比特具有各自的物理参数，通过读取测量模块2对量子比特进行测量时，基于量子比特的物理参数确定测量时的固定参数，即每个量子比特均对应一个或者多个固定参数，固定参数仅与量子比特相关，不会随着量子比特执行不同的量子计算任务而变化。每一个读取测量模块2均基于固定参数对执行量子计算任务的量子比特进行读取测量并获得测量结果。

在量子处理器上运行量子计算任务，并通过量子控制系统对量子比特进行读取测量时，不仅需要确定固定参数，还需要确定与量子计算任务相关的参数信息，可以理解的是，每一个量子计算任务都具有对应的参数信息。通过多个任务处理模块1分别接收与各待执行的量子计算任务对应的参数信息，并根据该参数信息确定对执行该量子计算任务的量子比特进行读取测量的目标读取测量模块，以及目标读取测量模块进行测量时的执行参数。在目标读取测量模块基于固定参数和执行参数对量子比特进行测量并获得测量结果后，将测量结果发送至任务处理模块1。

需要补充的是，执行同一个量子计算任务的若干个量子比特可以包括一根量子比特读取总线10上连接的量子比特，也可以包括多根量子比特读取总线10连接的量子比特，由于每根量子比特读取总线10均对应一个读取测量模块，因此该量子计算任务对应的目标读取测量模块的数量也会有多个，这些目标读取测量模块由一个任务处理模块1基于参数信息确定。

通过多个任务处理模块1和多个读取测量模块2实现对执行多个量子计算任务的量子比特进行测量，而且对各个量子计算任务对应的测量操作之间相互独立，互不影响，提高了对量子处理器的测量效率，进而提高量子处理器上量子比特的利用效率。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子计算任务的参数信息包括比特信息；所述任务处理模块1基于所述比特信息确定待进行读取测量的所述读取测量模块2作为目标读取测量模块。

量子计算任务是在量子比特上执行的，因此每个量子计算任务的参数信息均包括需要执行该量子计算任务的量子比特的信息。量子处理器上的每一根量子比特读取总线10均对应一个读取测量模块2，即每个量子比特均具有对应的读取测量模块2。任务处理模块1基于接收到的参数信息获取到待测量的量子比特的比特信息后，根据比特信息以及量子比特与读取测量模块2的对应关系确定目标读取测量模块，确保执行量子计算任务的量子比特均能被及时测量。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子计算任务的参数信息包括量子比特被测量的时序信息；所述任务处理模块1基于所述时序信息确定所述目标读取测量模块的执行参数。具体的，时序信息包括对量子比特进行测量的开始时间、测量时长等时间参数，这些时间参数与量子计算任务相关，任务处理模块1基于所述时序信息确定目标读取测量模块的执行参数，进而确保目标读取测量模块对执行量子计算任务的量子比特的按需测量。

如图2所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子控制系统还包括：固定参数配置模块3，连接各所述读取测量模块2，用于基于配置指令配置所述固定参数至各所述读取测量模块2。

具体的，固定参数是与量子处理器上的量子比特的相关，不会随着量子比特执行不同的量子计算任务而变化，通过固定参数配置模块3配置各个量子比特的固定参数，并在配置完成后发送至读取测量模块2。确定了执行当前量子计算任务的量子比特之后，对应的目标读取测量模块根据固定参数对量子比特进行测试即可，无需任务处理模块1配置，节省了参数配置的时间，提升对量子处理器的测试效率。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述固定参数包括用于每个量子比特测量的测量波形，或用于每个量子比特测量的测量波形和用于每个量子比特的读取反馈信号处理的处理系数。

具体的，读取测量模块2对执行完量子计算任务的量子比特进行测量时，需要施加读取信号；固定参数包括用于每个量子比特测量的测量波形，读取测量模块2基于测量波形生成并输出读取信号至量子比特，并采集与读取信号对应的携带量子比特执行结果的读取反馈信号，实现对量子比特的测量。

读取测量模块2采集到读取反馈信号之后，可以将读取反馈信号直接输出，即将携带量子比特执行结果的原始数据直接上传给服务器；也可以通过处理系数对读取反馈信号进行处理获得测量结果。因此，当读取测量模块2仅用于测量时，固定参数包括用于每个量子比特测量的测量波形；当读取测量模块2仅用于测量和采集处理时，固定参数包括每个量子比特测量的测量波形和用于每个量子比特的读取反馈信号处理的处理系数。

如图3所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子控制系统还包括：触发管理模块4，用于接收所述任务处理模块1发送的表示所述量子计算任务的参数信息配置完成的就绪信号，并输出用于所述目标读取测量模块触发启动的第一触发信号。

每一个任务处理模块1均会配置与一个量子计算任务相关的参数信息，配置完成后发送就绪信号至触发管理模块4，触发管理模块4基于就绪信号输出对应的第一触发信号，任务处理模块1将第一触发信号转发至与该量子计算任务的参数信息对应的若干个目标读取测量模块，实现若干个目标读取测量模块的同步触发启动，确保若干个目标读取测量模块对量子比特的读取测量结果更精确。

对应的，目标读取测量模块响应第一触发信号依据执行参数输出对应的读取信号至与量子比特读取总线10，以及响应第一触发信号依据执行参数采集并处理量子比特读取总线10输出的与读取信号对应的读取反馈信号获得测量结果。

如图4所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子控制系统还包括：复位模块5，连接各所述任务处理模块1，用于基于复位信号清除各所述任务处理模块1当前配置的量子计算任务的参数信息。

可以理解的是，每一个任务处理模块1均会配置一个量子计算任务的参数信息，并基于这些参数信息确定对量子比特进行读取测量的目标读取测量模块以及具体的执行参数，进而由目标读取测量模块对量子比特进行读取测量获得测量结果，获得测量结果即意味着对执行量子计算任务的量子比特的测量已经完成。通过复位模块5基于复位信号清除任务处理模块1当前配置的量子计算任务的参数信息，确保任务处理模块1配置的与下一个量子计算任务对应的参数信息更准确。

如图5所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子控制系统还包括存储器模块6，连接各所述任务处理模块1，用于存储各所述任务处理模块1发送的对应每个量子计算任务的测量结果以及发送所述测量结果。采用多个任务处理模块1和多个读取测量模块2可以实现对执行多个量子计算任务的量子比特进行测量，对应的会获得多个测量结果，这些测量结果的数据量很大，需占用很大的内存空间。通过存储器模块6连接各任务处理模块1，用于存储各个任务处理模块1发送的对应各个量子计算任务的测量结果以及发送所述测量结果。

具体的，任务处理模块1内设置有结果写入单元和结果读取单元，读取测量模块2会将采集到的读取反馈信号进行处理获得测量结果，由结果写入单元将各量子计算任务的测量结果写入存储器模块6，并由结果读取单元在存储器模块6空闲时读取各测量结果，并将测量结果上传给服务器。示例的，存储器模块6可以为DDR。

如图6所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子控制系统还包括仲裁模块7，用于对所述存储器模块6存储或发送所述测量结果进行仲裁。存储器模块6的数据传输线是单一的，且只能进行数据写入或者数据读取。采用存储器模块6连接多个任务处理模块1，当多个任务处理模块1均需要写入或者读取测量结果时，采用仲裁模块7对需要写入或者读取的测量结果的优先级进行仲裁。具体的，测量结果的写入优先级高于测量结果的读取优先级；多个测量结果同时写入或者多个测量结果同时读取时，根据各量子计算任务的优先级进行仲裁。

作为本申请实施例的一种实施方式，各所述任务处理模块1为设置在FPGA内的处理器；所述存储器模块6为设置在所述FPGA外的存储器。各任务处理模块1是用来配置参数信息并对获得的测量结果进行上传的，采用FPGA内的处理器单元执行；由于多个测量结果占用的内存较大，采用FPGA外部的存储器如DDR进行存储；通过FPGA与DDR通信连接进行各量子计算任务的测量结果的写入和读取，确保读取测量模块2可以及时的对读取反馈信号进行处理获得测量结果并发送至任务处理模块1，由任务处理模块1将测量结果写入存储器模块6，并由任务处理模块1按需从存储器模块6中读取测量结果并上传给服务器。

如图7所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述量子控制系统还包括：数据通信模块8，连接各所述任务处理模块1和各所述读取测量模块2，用于基于比特信息提供所述固定参数、及基于量子计算任务的编号信息向各所述任务处理模块1提供量子计算任务的参数信息。具体的，采用数据通信模块8接收若干个具有任务编号的量子计算任务，每个量子计算任务均对应固定参数和参数信息，由于每个量子计算任务均由与比特信息对应的若干个量子比特执行，数据通信模块8依据比特信息将固定参数发送至对应的目标读取测量模块；并依据量子计算任务的编号信息将各量子计算任务的参数信息发送至任务处理模块1。将各量子计算任务的固定参数和参数信息分别发送至读取测量模块2和任务处理模块1并对应配置，配置完成后即可执行对量子比特的测量，测试流程简单，测量效率高。

作为本申请实施例的一种实施方式，设置在同一FPGA内的各所述任务处理模块1和所述数据通信模块8共用一条通信链路。任务处理模块1和数据通信模块8均为集成在FPGA内部的功能模块，对于一个FPGA，其内部集成有多个任务处理模块1和一个数据通信模块8，数据通信模块8用于将各量子计算任务的参数信息发送至任务处理模块1。其中，数据通信模块8通过FPGA连接的一个通信链路接收参数信息，此外，任务处理模块1将获得的测量结果上传至服务器时也采用此通信链路。可以理解的是，对于一个FPGA，其执行的各量子计算任务的参数信息下发和测量结果的上传共用同一条通信链路。

作为本申请实施例的一种实施方式，每个所述任务处理模块1还被配置为：在量子计算任务对应的所有所述目标读取测量模块均获得当前读取反馈信号的测量结果时输出任务完成信号。具体的，在任务处理模块1内设置状态转发单元，用于获取各量子计算任务对应的所有目标读取测量模块的工作状态，当获取当前运行的量子计算任务对应的测量结果时，输出任务完成信号，表征任务处理模块1对运行当前量子计算任务的量子比特的测量已经完成，可以继续配置与下一个量子计算任务对应的参数信息。

作为本申请实施例的一种实施方式，每个所述读取测量模块2，被配置为对量子处理器上的一量子比特读取总线10连接的量子比特进行整体测量。每一个量子比特读取总线10上连接有若干个量子比特，每一个量子比特均可以用于执行量子计算任务，并在执行完成后由读取测量模块2对执行结果进行读取测量，在测量时读取测量模块2可以对一量子比特读取总线10连接的所有量子比特进行整体测量，即同时测量所有量子比特的执行结果，使得测量效率大大提升。

如图8所示，作为本申请实施例的一种实施方式，当读取测量模块2被配置为对量子处理器上的一量子比特读取总线10连接的量子比特进行整体测量时，所述读取测量模块2包括：第一信号输出模块21，用于基于所述执行参数输出与预设的用于一根量子比特读取总线10连接的所有量子比特测量的测量波形对应的一读取信号至所述量子比特读取总线10；第一信号采集模块22，用于基于所述执行参数采集并处理所述量子比特读取总线10输出的读取反馈信号，获得对应所有量子比特的测量结果；第一控制模块23，用于向所述第一信号输出模块21和所述第一信号采集模块输出作为所述执行参数开始时刻的同步触发信号。

具体的，通过第一信号输出模块21依据执行参数获取一根量子比特读取总线10连接的所有量子比特的测量波形，其中，执行参数包括测量波形和处理系数的时序，根据所有的测量波形以及测量波形的时序输出一读取信号至该根量子比特读取总线10，用于该根量子比特读取总线10连接的所有量子比特的测量。此外，还通过第一信号采集模块22依据处理系数和处理系数的时序采集并处理量子比特读取总线10输出的读取反馈信号即可获得该根量子比特读取总线10连接的所有量子比特的测量结果。

需要说明的是，对量子比特读取总线连接的量子比特进行测量包括对量子比特施加读取信号和采集从量子比特反馈的读取反馈信号的两个步骤，对一量子比特测量时量子比特读取总线接收读取信号的接收时刻和量子比特读取总线输出的读取反馈信号的采集时刻需要具备相对稳定的时间关系。因此通过第一控制模块23输出的同步触发信号确保第一信号输出模块21和第一信号采集模块22的启动同步，确保对量子比特测量的精确。

如图9所示，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21包括：第一波形输出单元211，用于基于所述执行参数输出预设的用于一根量子比特读取总线10连接的所有量子比特测量的测量波形；第一DAC单元212，连接所述第一波形输出单元211，用于接收所述测量波形并输出对应的读取信号至所述量子比特读取总线10。通过第一波形输出单元211输出一个用于一根量子比特读取总线10连接的所有量子比特测量的测量波形，并通过第一DAC单元212基于该测量波形输出对应的读取信号至量子比特读取总线10，实现对该根量子比特读取总线10连接的所有量子比特的测量。

继续如图9所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一信号采集模块22包括第一ADC单元221，用于采集并处理所述量子比特读取总线10输出的所述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读取总线10连接的所有量子比特的测量结果；第一数据处理单元222，连接所述第一ADC单元221，用于基于所述执行参数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测量结果。具体的，通过量子比特读取总线10采集的携带所有量子比特的测量结果的读取反馈信号为模拟信号，通过第一ADC单元221采集并处理读取反馈信号获得第一数字信号，并通过第一数据处理单元222依据参数信息对第一数字信号进行处理，获得各被测量的量子比特的测量结果。

作为本申请实施例的一种实施方式，每个所述读取测量模块2，被配置为对量子处理器上的一量子比特读取总线10连接的量子比特以单个量子比特为单位进行测量。量子比特读取总线10连接的量子比特均可以用于执行一个或者多个量子计算任务，并在执行完成后由读取测量模块2对执行结果进行读取测量。多个量子计算任务之间可以是同步执行的，也可以不是同步执行的，对一量子比特读取总线10连接的执行不同量子计算任务的量子比特进行测量时，通过读取测量模块2以单个量子比特为单位进行测量，实现一量子比特读取总线10连接的量子比特的分别测量或者按需测量，提高对量子比特测量的灵活性，进而提高量子比特的利用率。

如图10所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述读取测量模块2包括：第二信号输出模块24，用于基于执行参数将对应一量子比特读取总线10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读取信号至所述量子比特读取总线10；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；第二信号采集模块25，用于基于所述执行参数采集并处理所述量子比特读取总线10输出的读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的测量结果；第二控制模块26，用于向所述第二信号输出模块24和所述第二信号采集模块25输出作为所述执行参数开始时刻的同步触发信号。

具体的，在量子计算任务的执行过程中，通过第二信号输出模块24依据执行参数在内部将各个量子比特的待处理波形处理为合成波形，并输出与合成波形对应的一读取信号至量子比特读取总线10，实现第二信号输出模块24依据量子计算任务的需求灵活生成读取信号，进而实现量子比特的灵活测量。通过第二信号采集模块25依据执行参数采集并处理量子比特读取总线10输出的读取反馈信号，获得该根量子比特读取总线10连接的各个量子比特的测量结果。

需要说明的是，对量子比特读取总线连接的量子比特进行测量包括对量子比特施加读取信号和采集从量子比特反馈的读取反馈信号的两个步骤，对一量子比特测量时量子比特读取总线接收读取信号的接收时刻和量子比特读取总线输出的读取反馈信号的采集时刻需要具备相对稳定的时间关系。因此通过第二控制模块26输出的同步触发信号实现第二信号输出模块24和第二信号采集模块25的启动同步，确保对量子比特测量的精确。

本申请的第二信号输出模块24和第二信号采集模块25，在对执行当前量子计算任务的量子比特进行读取测量时，可以在某一时刻同时启动工作；针对后续的其它量子计算任务，按照各量子计算任务的参数信息启动工作即可，即第二信号输出模块24按照各量子计算任务的参数信息更新各量子计算任务对应的量子比特的待处理波形。

为保证更新效果，第二信号输出模块24还根据自己的工作时钟参数更新各量子比特的待处理波形。所述第二信号输出模块24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二信号输出模块24的工作时钟频率确定。

具体的，当一量子比特上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；当一量子比特上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，第二信号输出模块24根据工作时钟频率更新各所述量子比特的待处理波形。

如图11所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述第二信号输出模块24包括：第二波形输出单元241，用于基于所述执行参数将对应一量子比特读取总线10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；第二DAC单元242，连接所述第一波形输出单元211，用于接收所述合成波形并输出对应的读取信号至所述量子比特读取总线10。

具体的，一量子比特读取总线连接10的量子比特为多个，在某一时刻，多个量子比特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，第二波形输出单元241内部提供对应的测量波形，针对不需要被测量的量子比特，第二波形输出单元241内部提供对应的空波形。第二波形输出单元241在内部依据执行参数把这些测量波形和/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读取总线10连接的被测量的量子比特的测量。第二DAC单元242连接第二波形输出单元241，将合成处理后得到的合成波形处理为具体的模拟信号，即读取信号，并输出读取信号至该量子比特读取总线10，实现对该根量子比特读取总线10连接的量子比特的测量操作。

如图12所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述第二波形输出单元241包括：多个波形发生器2411，任一所述波形发生器2411用于产生一量子比特的待处理波形；波形合成器2412，连接多个所述波形发生器2411，用于将多个所述波形发生器2411输出的待处理波形处理为一合成波形。

具体的，波形发生器2411的数量等于量子比特读取总线10连接的量子比特的数量，且波形发生器2411与量子比特一一对应，每个波形发生器2411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，并依据执行参数输出测量波形或空波形；具体的，需要对该量子比特进行测量时，波形发生器2411输出对应该量子比特的测量波形；不需要对该量子比特进行测量时，波形发生器2411输出一个空波形。并通过波形合成器2412把对应一量子比特读取总线10连接的量子比特的测量波形和/或空波形通过波形合成单元合成为一合成波形，该合成波形通过DAC单元处理为读取信号并输出至量子比特读取总线10，然后通过该根量子比特读取总线10实现其连接的量子比特的灵活测量。

继续如图11所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述第二信号采集模块25包括：第二ADC单元251，用于采集并处理所述量子比特读取总线10输出的所述读取反馈信号以获得第二数字信号；其中，所述第二数字信号携带所述量子比特读取总线10连接的被测量的量子比特的测量结果；第二数据处理单元252，连接所述第二ADC单元251，用于基于所述执行参数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测量结果。

具体的，通过采集量子比特读取总线10输出的读取反馈信号为携带该根量子比特读取总线10连接的多个量子比特的测量结果的模拟信号。本申请通过设置第二ADC单元251采集读取反馈信号，并对该信号进行转换处理，转换为第二数字信号，便于通过后续处理获得被测量的量子比特的测量结果。并通过第二数据处理单元252连接第二ADC单元251，接收经过转换处理得到的第二数字信号，对第二数字信号进行处理，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的测量结果，并对多个子信号进行处理，获得具体的测量结果。

如图13所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述第二数据处理单元252包括：数据分发器2521，用于接收并处理所述第二数字信号以获得多个第二数据，以及输出多个所述第二数据；多个运算器2522，连接所述数据分发器2521，每个所述运算器2522用于接收并处理一个所述第二数据，以及输出一个被测量的量子比特的测量结果。

具体的，第二数据处理单元252接收到第二ADC单元251输出的第二数字信号是包含多个量子比特的测量结果的，通过设置数据分发器2521接收第二数字信号，将第二数字信号按照被测量的量子比特拆分为多个第二数据，每一个第二数据都表征一个被测量的量子比特的测量结果。并通过设置多个运算器2522连接数据分发器2521，每个运算器2522接收一个第二数据并处理，获得对应的测量结果。

通过数据分发器2521以及多个运算器2522将包含多个量子比特的测量结果的第二数字信号拆分并处理获得单个被测量的量子比特的测量结果，实现对一量子比特读取总线10连接的多个量子比特的分别测量或者按需测量，提高量子处理器上量子比特的利用率。

基于同一申请构思，本申请实施例还提供了一种量子计算机，包括上述的量子控制系统和量子处理器；所述量子控制系统控制所述量子处理器运行多个量子计算任务。

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 (25)

1.一种量子控制系统，其特征在于，包括：多个任务处理模块和多个读取测量模块，各所述任务处理模块和所有所述读取测量模块均通信连接；

每个所述读取测量模块，用于基于固定参数对量子处理器上的量子比特读取总线连接的用于执行量子计算任务的量子比特进行读取测量并获得测量结果；

每个所述任务处理模块，用于基于参数信息确定待进行读取测量的目标读取测量模块及其执行参数、及获得所述目标读取测量模块的测量结果。

2.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，所述量子计算任务的参数信息包括比特信息；

所述任务处理模块基于所述比特信息确定待进行读取测量的所述读取测量模块作为目标读取测量模块。

3.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，所述量子计算任务的参数信息包括量子比特被测量的时序信息；

所述任务处理模块基于所述时序信息确定所述目标读取测量模块的执行参数。

4.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，所述量子控制系统还包括：

固定参数配置模块，连接各所述读取测量模块，用于基于配置指令配置所述固定参数至各所述读取测量模块。

5.如权利要求4所述的量子控制系统，其特征在于，所述固定参数包括用于每个量子比特测量的测量波形，或

用于每个量子比特测量的测量波形和用于对每个量子比特的读取反馈信号处理的处理系数。

6.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，所述量子控制系统还包括：

触发管理模块，用于接收所述任务处理模块发送的表示所述量子计算任务的参数信息配置完成的就绪信号，并输出用于所述目标读取测量模块触发启动的第一触发信号。

7.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，所述量子控制系统还包括：

复位模块，连接各所述任务处理模块，用于基于复位信号清除所述任务处理模块当前配置的量子计算任务的参数信息。

8.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，所述量子控制系统还包括：

存储器模块，连接各所述任务处理模块，用于存储各所述任务处理模块发送的对应每个量子计算任务的测量结果以及发送所述测量结果。

9.如权利要求8所述的量子控制系统，其特征在于，所述量子控制系统还包括：

仲裁模块，用于对所述存储器模块存储或发送所述测量结果进行仲裁。

10.如权利要求8所述的量子控制系统，其特征在于，各所述任务处理模块为设置在FPGA内的处理器；

所述存储器模块为设置在所述FPGA外的存储器。

11.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，所述量子控制系统还包括：

数据通信模块，连接各所述任务处理模块和各所述读取测量模块，用于基于比特信息提供所述固定参数、及基于量子计算任务的编号信息向各所述任务处理模块提供量子计算任务的参数信息。

12.如权利要求11所述的量子控制系统，其特征在于，设置在同一FPGA内的各所述任务处理模块和所述数据通信模块共用一条通信链路。

13.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，每个所述任务处理模块，还被配置为在量子计算任务对应的所有所述目标读取测量模块均获得当前读取反馈信号的测量结果时输出任务完成信号。

14.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，每个所述读取测量模块，被配置为对量子处理器上的一量子比特读取总线连接的量子比特进行整体测量。

15.如权利要求14所述的量子控制系统，其特征在于，所述读取测量模块包括：

第一信号输出模块，用于基于所述执行参数输出与预设的用于一根量子比特读取总线连接的所有量子比特测量的测量波形对应的一读取信号至所述量子比特读取总线；

第一信号采集模块，用于基于所述执行参数采集并处理所述量子比特读取总线输出的读取反馈信号，获得对应所有量子比特的测量结果；

第一控制模块，用于向所述第一信号输出模块和所述第一信号采集模块输出作为所述执行参数开始时刻的同步触发信号。

16.如权利要求15所述到的量子控制系统，其特征在于，所述第一信号输出模块包括：

第一波形输出单元，用于基于所述执行参数输出预设的用于一根量子比特读取总线连接的所有量子比特测量的测量波形；

第一DAC单元，连接所述第一波形输出单元，用于接收所述测量波形并输出对应的读取信号至所述量子比特读取总线。

17.如权利要求15所述到的量子控制系统，其特征在于，所述第一信号采集模块包括：

第一ADC单元，用于采集并处理所述量子比特读取总线输出的所述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读取总线连接的所有量子比特的测量结果；

第一数据处理单元，连接所述第一ADC单元，用于基于所述执行参数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测量结果。

18.如权利要求1所述的量子控制系统，其特征在于，每个所述读取测量模块，被配置为对量子处理器上的一量子比特读取总线连接的量子比特以单个量子比特为单位进行测量。

19.如权利要求18所述的量子控制系统，其特征在于，所述读取测量模块包括：

第二信号输出模块，用于基于执行参数将对应一量子比特读取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读取信号至所述量子比特读取总线；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；

第二信号采集模块，用于基于所述执行参数采集并处理所述量子比特读取总线输出的读取反馈信号，获得对应需要被测量的每个量子比特的测量结果；

第二控制模块，用于向所述第二信号输出模块和所述第二信号采集模块输出作为所述执行参数开始时刻的同步触发信号。

20.如权利要求19所述到的量子控制系统，其特征在于，所述第二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二信号输出模块的工作时钟频率确定。

21.如权利要求19所述到的量子控制系统，其特征在于，所述第二信号输出模块包括：

第二波形输出单元，用于基于所述执行参数将对应一量子比特读取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；

第二DAC单元，连接所述第二波形输出单元，用于接收所述合成波形并输出对应的读取信号至所述量子比特读取总线。

22.如权利要求21所述到的量子控制系统，其特征在于，所述第二波形输出单元包括：

多个波形发生器，任一所述波形发生器用于产生一量子比特的待处理波形；

波形合成器，连接多个所述波形发生器，用于将多个所述波形发生器输出的待处理波形处理为一合成波形。

23.如权利要求19所述到的量子控制系统，其特征在于，所述第二信号采集模块包括：

第二ADC单元，用于采集并处理所述量子比特读取总线输出的所述读取反馈信号以获得第二数字信号；其中，所述第二数字信号携带所述量子比特读取总线连接的被测量的量子比特的测量结果；

第二数据处理单元，连接所述第二ADC单元，用于基于所述执行参数接收并处理所述第二数字信号以获得被测量的量子比特的测量结果。

24.如权利要求23所述到的量子控制系统，其特征在于，所述第二数据处理单元包括：

数据分发器，用于接收并处理所述第二数字信号以获得多个第二数据，以及输出多个所述第二数据；

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二数据，以及输出一个被测量的量子比特的测量结果。

25.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求1-24任一项所述的量子控制系统和量子处理器；

所述量子控制系统控制所述量子处理器运行多个量子计算任务。

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