CN116259595B - 一种超导型量子计算装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子计算技术领域，特别涉及一种超导型量子计算装置。本发明实施例提供一种超导型量子计算装置，包括超导量子芯片、第一壳体、低温流体管道和气体收集装置；低温流体管道包括管道部和散热部，管道部穿入第一壳体，散热部位于第一壳体中并与超导量子芯片贴合，散热部设置有散热孔；第二壳体与第一壳体通过导热板连接，超导量子芯片的一个面与导热板朝向第一壳体内部的面贴合；带电微球带有荧光标记，荧光接收装置用于采集带电微球发出的荧光信息，控制装置用于根据带电微球的运动状态控制电场装置的强度和方向以减小带电微球的振动。本发明实施例提供了一种超导型量子计算装置，能够为超导量子芯片提供超低温的计算环境。

Description

一种超导型量子计算装置

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，特别涉及一种超导型量子计算装置。

背景技术

随着传统芯片上的元件的尺寸不断缩小，芯片的性能不断提高。但芯片上的元件如晶体管存在最小尺寸极限，当元件的尺寸达到纳米级别时，量子隧道效应的存在会显著降低计算机的计算结果。因此，计算速度和计算过量指数提升的量子芯片成为日后研究的主攻方向。

量子芯片基于量子纠缠实现其优异的性能。现有的量子芯片类型主要有三种，分别为超导、半导体和离子阱量子芯片。其中，超导量子芯片需要在超低温环境下工作，温度越低，量子芯片的性能越优异，越稳定。但是，目前缺乏能够为超导量子芯片提供毫开温度的装置。

发明内容

本发明实施例提供了一种超导型量子计算装置，能够为超导量子芯片提供超低温的计算环境。

本发明实施例提供一种超导型量子计算装置，包括超导量子芯片、第一壳体、低温流体管道和气体收集装置；

所述低温流体管道包括管道部和散热部，所述管道部穿入所述第一壳体，所述散热部位于所述第一壳体中并与所述超导量子芯片贴合，所述散热部设置有散热孔，低温流体通过所述管道部流入所述散热部；

所述气体收集装置通过集气管道与所述第一壳体连通，所述气体收集装置用于收集低温流体蒸发气化形成的气体；

还包括第二壳体、电场装置、荧光接收装置和控制装置，所述第二壳体与所述第一壳体通过导热板连接，所述导热板既形成所述第一壳体，又形成所述第二壳体，所述超导量子芯片的一个面与所述导热板朝向所述第一壳体内部的面贴合；

所述电场装置用于提供可变的电场以捕获预设在所述第二壳体内的带电微球，所述带电微球带有荧光标记，所述荧光接收装置用于采集所述带电微球发出的荧光信息，所述控制装置用于根据所述荧光信息实时确定所述带电微球的运动状态，所述控制装置还用于根据所述运动状态控制所述电场装置的强度和方向以减小所述带电微球的振动。

在一种可能的设计中，所述气体收集装置设置有抽气泵，所述抽气泵用于将所述第一壳体中的气体抽入所述气体收集装置中。

在一种可能的设计中，所述第二壳体的外形为长方体，包括两个所述荧光接收装置，两个所述荧光接收装置分别设置在所述第二壳体中互相垂直的两个内壁上。

在一种可能的设计中，所述荧光信息包括荧光的强度，所述控制装置用于根据所述荧光信息中荧光强度最高的点的位置变化判断所述带电微球的实时振动方向。

在一种可能的设计中，所述导热板朝向所述第二壳体的一面设置有红外反射膜。

在一种可能的设计中，所述导热板朝向所述第一壳体的一面设置有红外透射膜。

在一种可能的设计中，所述带电微球为直径400纳米的玻璃微球。

在一种可能的设计中，构成第二壳体的板体中，除导热板以外的板体具有防辐射绝热功能。

在一种可能的设计中，所述除导热板以外的板体的制备材料为防辐射绝热材料。

在一种可能的设计中，所述除导热板以外的板体为复合板材，所述复合板材由外到内依次是绝热材料和防辐射材料。

本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

在本发明的实施例中，管道部穿过第一壳体，管道部与散热部连通，散热部与超导量子芯片贴合，散热部设置有多个散热孔。低温的流体进入散热部后与超导量子芯片进行热交换，降低超导量子芯片的温度。散热部中的低温流体通过散热孔相变蒸发，进一步提升了降低超导量子芯片温度的效果，最终实现为超导量子芯片提供超低温的计算环境。与壳体连接的气体收集装置一方面能够收集挥发的气体以循环利用冷却工质，另一方面气体进入气体收集装置后能够加快散热部中低温流体的蒸发速度。

需要说明的是，本实施例的量子计算装置还包括导线，导线的一端穿过第一壳体与量子芯片连接，另一端与外部的微波脉冲装置、信号接收装置等设备连接。低温流体管道中流经的低温流体可以是液氢，可以是液氮，还可以是液氦，优选温度4K以下的液氦，液氦具有超流性、爬行膜现象和超导热性，粘滞系数接近于零等优异性质，既能提供优异的散热制冷性能，又不会影响超导量子芯片本身的运行。

在本实施例中，为了进一步保证超导量子芯片处于低温环境，在第一壳体的外侧贴身设置第二壳体，第二壳体中设置有电场装置，电场装置提供的可变电场能够捕获带电微球。温度的本质即空间中的粒子振动，第二壳体处于真空环境，带电微球为在第二壳体中仅存的粒子，因此，带电微球的振动幅度和频率直接影响了第二壳体中的温度。在第二壳体中设置荧光接收装置，带电微球标记有荧光，荧光接收装置能够接收到带电微球发出的荧光信息，控制装置根据荧光信息能够实时计算出带电微球的位置，进而判断出带电微球的运动状态，控制装置根据带电微球实时的运动状态反向调节电场装置，进而达到抑制带电微球运动的效果，使带电微球无限趋近于静止，以制备出趋近于绝对零度的环境。第一壳体中的超导量子芯片贴合在导热板上，超导量子芯片的热量通过热传递传导至导热板，导热板通过热辐射的形式散热，热辐射加热带电微球增加带电微球的振动，通过控制装置和电场装置的配合减小带电微球的振动以实现降低超导量子芯片的温度；超导量子芯片的另一面则通过与其贴合的散热部散热。如此能够为超导量子芯片提供毫开级别的超低温。

可以理解的是，第二壳体的体积可以小于第一壳体，第二壳体朝向第一壳体的板体为导热板，而导热板仅构成第一壳体的朝向第二壳体的板体的一部分。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种超导型量子计算装置的结构示意图。

图中：

1-超导量子芯片；

2-第一壳体；

3-低温流体管道；

31-管道部；

32-散热部；

4-气体收集装置；

5-第二壳体；

6-电场装置；

7-带电微球。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

如图1所示，本发明实施例提供一种超导型量子计算装置，包括超导量子芯片1、第一壳体2、低温流体管道3和气体收集装置4；

低温流体管道3包括管道部31和散热部32，管道部31穿入第一壳体2，散热部32位于第一壳体2中并与超导量子芯片1贴合，散热部32设置有散热孔，低温流体通过管道部31流入散热部32；

气体收集装置4通过集气管道与第一壳体2连通，气体收集装置4用于收集低温流体蒸发气化形成的气体；

还包括第二壳体5、电场装置、荧光接收装置和控制装置，第二壳体5与第一壳体2通过导热板连接，所述导热板既形成所述第一壳体2，又形成所述第二壳体5，超导量子芯片1的一个面与导热板朝向第一壳体内部的面贴合；

电场装置用于提供可变的电场以捕获预设在第二壳体5内的带电微球7，带电微球7带有荧光标记，荧光接收装置用于采集带电微球7发出的荧光信息，控制装置用于根据荧光信息实时确定带电微球7的运动状态，控制装置还用于根据运动状态控制电场装置的强度和方向以减小带电微球7的振动。

在本发明的实施例中，管道部31穿过第一壳体2，管道部31与散热部32连通，散热部32与超导量子芯片1贴合，散热部32设置有多个散热孔。低温的流体进入散热部32后与超导量子芯片1进行热交换，降低超导量子芯片1的温度。散热部32中的低温流体通过散热孔相变蒸发，进一步提升了降低超导量子芯片1温度的效果，最终实现为超导量子芯片1提供超低温的计算环境。与壳体连接的气体收集装置4一方面能够收集挥发的气体以循环利用冷却工质，另一方面气体进入气体收集装置4后能够加快散热部32中低温流体的蒸发速度。

需要说明的是，本实施例的量子计算装置还包括导线，导线的一端穿过第一壳体2与量子芯片1连接，另一端与外部的微波脉冲装置、信号接收装置等设备连接。低温流体管道3中流经的低温流体可以是液氢，可以是液氮，还可以是液氦，优选温度4K以下的液氦，液氦具有超流性、爬行膜现象和超导热性，粘滞系数接近于零等优异性质，既能提供优异的散热制冷性能，又不会影响超导量子芯片1本身的运行。

在本实施例中，为了进一步保证超导量子芯片处于低温环境，在第一壳体2的外侧贴身设置第二壳体5，第二壳体5中设置有电场装置，电场装置提供的可变电场能够捕获带电微球7。温度的本质即空间中的粒子振动，第二壳体5处于真空环境，带电微球7为在第二壳体5中仅存的粒子，因此，带电微球7的振动幅度和频率直接影响了第二壳体5中的温度。在第二壳体5中设置荧光接收装置，带电微球7标记有荧光，荧光接收装置能够接收到带电微球7发出的荧光信息，控制装置根据荧光信息能够实时计算出带电微球7的位置，进而判断出带电微球7的运动状态，控制装置根据带电微球7实时的运动状态反向调节电场装置，进而达到抑制带电微球7运动的效果，使带电微球7无限趋近于静止，以制备出趋近于绝对零度的环境。第一壳体2中的超导量子芯片1贴合在导热板上，超导量子芯片1的热量通过热传递传导至导热板，导热板通过热辐射的形式散热，热辐射加热带电微球7增加带电微球7的振动，通过控制装置和电场装置的配合减小带电微球7的振动以实现降低超导量子芯片1的温度；超导量子芯片1的另一面则通过与其贴合的散热部32散热。如此能够为超导量子芯片1提供毫开级别的超低温。

可以理解的是，第二壳体5的体积可以小于第一壳体2，第二壳体5朝向第一壳体2的板体为导热板，而导热板仅构成第一壳体2的朝向第二壳体5的板体的一部分。

需要说明的是，设置超导量子芯片1的板体可以全部为导热板，也可以部分为导热板，即该板体中与超导量子芯片1相贴的部分为导热板，其余部分为普通板体。

还需要说明的是，荧光接收装置和电场装置应避免设置在第二壳体的同一板体内壁上，如此能够避免二者互相干扰。电场装置连接的电源的电压可变，如此通过调节电压可以调节电场装置的电场强度。电源提供高频交流电，交流电的频率大于带电微球7的振动频率，如此才能通过不断改变电场的正负极性，进而抑制带电微球7的振动。

在本发明的一些实施例中，气体收集装置4设置有抽气泵，抽气泵用于将第一壳体2中的气体抽入气体收集装置4中。

在本实施例中，抽气泵可以快速将第一壳体2中的气体抽入气体收集装置4，如此可以进一步加快低温流体蒸发的速度，进而增加制冷效率。

在本发明的一些实施例中，第二壳体5的外形为长方体，包括两个荧光接收装置，两个荧光接收装置分别设置在第二壳体5中互相垂直的两个内壁上。

在本实施例中，分别设置在第二壳体5互相垂直的两个内壁上的两个荧光接收装置能够在两个面上获取带电微球7的荧光信息，根据带电微球在两个面上的荧光信息能够确定出带电微球7在第二壳体5中的实际位置。

在本发明的一些实施例中，荧光信息包括荧光的强度，控制装置用于根据荧光信息中荧光强度最高的点的位置变化判断带电微球的实时振动方向。

在本实施例中，两个荧光接收装置接收到的荧光信息的强度不同，将每个荧光接收装置中荧光强度最强的点的位置信息输入至控制装置，该点的位置即为带电微球7该荧光接收装置所在面上的投影，根据两个荧光接收装置所在面上的荧光强度最强点的位置即可得出带电微球7所在位置，进而根据位置的变化能够实时判断出带电微球7的运动状态及振动方向。

需要说明的是，荧光接收装置、控制装置中均预设有与第二壳体5内部空间匹配的坐标系。

在本发明的一些实施例中，导热板朝向第二壳体5的一面设置有红外反射膜。

在本实施例中，由于导热板温度较低，热辐射主要以红外辐射为主，因此，为了防止红外辐射反射回导热板上，在导热板朝向第二壳体5的一侧设置有红外反射膜，用于反射红外辐射，防止红外辐射将热量传回导热板。

在本发明的一些实施例中，导热板朝向第一壳体2的一面设置有红外透射膜。

在本实施例中，在导热板朝向第一壳体2的一面设置红外透射膜能够促进红外辐射进入到导热板中，并防止导热板产生的红外辐射传到超导量子芯片1上。

在本发明的一些实施例中，带电微球7为直径400纳米的玻璃微球。

在本实施例中，带电微球7为带电的玻璃微球，根据电场装置的场强不同，可以选择不同直径的带电微球7，例如，可以是100纳米、200纳米、300纳米或400纳米。

在本发明的一些实施例中，构成第二壳体的板体中，除导热板以外的板体具有防辐射绝热功能。

在本发明的一些实施例中，除导热板以外的板体的制备材料为防辐射绝热材料。

在本发明的一些实施例中，除导热板以外的板体为复合板材，复合板材由外到内依次是绝热材料和防辐射材料。

在本发明中，构成第二壳体5的板体中，除导热板以外的板体可以是防辐射绝热材料，也可以是由外到内依次是绝热材料和防辐射材料的复合板状材料。如此设置，上述板体能够防止外部的热量对第二壳体5内壁温度的干扰，又能防止外部热辐射对第二壳体5内部的干扰。

需要说明的是，导热板既构成了第一壳体2，又构成了第二壳体5，第一壳体2和第二壳体5除导热板以外的板体均采用隔热材料制备。第二壳体5中为真空环境，第一壳体2中为真空环境，能够促进散热部32中的低温流体挥发。气体收集装置4中的真空度大于或等于第一壳体2的真空度，抽气泵能进一步加快第一壳体2中的气体进入气体收集装置4的速度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超导型量子计算装置，其特征在于，包括超导量子芯片（1）、第一壳体（2）、低温流体管道（3）和气体收集装置（4）；

所述低温流体管道（3）包括管道部（31）和散热部（32），所述管道部（31）穿入所述第一壳体（2），所述散热部（32）位于所述第一壳体（2）中并与所述超导量子芯片（1）贴合，所述散热部（32）设置有散热孔，低温流体通过所述管道部（31）流入所述散热部（32）；

所述气体收集装置（4）通过集气管道与所述第一壳体（2）连通，所述气体收集装置（4）用于收集低温流体蒸发气化形成的气体；

还包括第二壳体（5）、电场装置、荧光接收装置和控制装置，所述第二壳体（5）与所述第一壳体（2）通过导热板连接，所述导热板既形成所述第一壳体（2），又形成所述第二壳体（5），所述超导量子芯片（1）的一个面与所述导热板朝向所述第一壳体内部的面贴合；

所述电场装置用于提供可变的电场以捕获预设在所述第二壳体（5）内的带电微球（7），所述带电微球（7）带有荧光标记，所述荧光接收装置用于采集所述带电微球（7）发出的荧光信息，所述控制装置用于根据所述荧光信息实时确定所述带电微球（7）的运动状态，所述控制装置还用于根据所述运动状态控制所述电场装置的强度和方向以减小所述带电微球（7）的振动。

2.根据权利要求1所述的超导型量子计算装置，其特征在于，所述气体收集装置（4）设置有抽气泵，所述抽气泵用于将所述第一壳体（2）中的气体抽入所述气体收集装置（4）中。

3.根据权利要求1所述的超导型量子计算装置，其特征在于，所述第二壳体（5）的外形为长方体，包括两个所述荧光接收装置，两个所述荧光接收装置分别设置在所述第二壳体（5）中互相垂直的两个内壁上。

4.根据权利要求3所述的超导型量子计算装置，其特征在于，所述荧光信息包括荧光的强度，所述控制装置用于根据所述荧光信息中荧光强度最高的点的位置变化判断所述带电微球（7）的实时振动方向。

5.根据权利要求4所述的超导型量子计算装置，其特征在于，所述导热板朝向所述第二壳体（5）的一面设置有红外反射膜。

6.根据权利要求4所述的超导型量子计算装置，其特征在于，所述导热板朝向所述第一壳体（2）的一面设置有红外透射膜。

7.根据权利要求1所述的超导型量子计算装置，其特征在于，所述带电微球（7）为直径400纳米的玻璃微球。

8.根据权利要求1所述的超导型量子计算装置，其特征在于，构成第二壳体（5）的板体中，除导热板以外的板体具有防辐射绝热功能。

9.根据权利要求8所述的超导型量子计算装置，其特征在于，所述除导热板以外的板体的制备材料为防辐射绝热材料。

10.根据权利要求8所述的超导型量子计算装置，其特征在于，所述除导热板以外的板体为复合板材，所述复合板材由外到内依次是绝热材料和防辐射材料。

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