CN116663670A - 量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法 - Google Patents

量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116663670A
CN116663670A CN202310491027.4A CN202310491027A CN116663670A CN 116663670 A CN116663670 A CN 116663670A CN 202310491027 A CN202310491027 A CN 202310491027A CN 116663670 A CN116663670 A CN 116663670A
Authority
CN
China
Prior art keywords
quantum
data
control system
analog
digital
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310491027.4A
Other languages
English (en)
Inventor
邹宏洋
叶惺
孟铁军
项金根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Liangxuan Technology Co ltd
Original Assignee
Shenzhen Liangxuan Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Liangxuan Technology Co ltd filed Critical Shenzhen Liangxuan Technology Co ltd
Priority to CN202310491027.4A priority Critical patent/CN116663670A/zh
Publication of CN116663670A publication Critical patent/CN116663670A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/70—Quantum error correction, detection or prevention, e.g. surface codes or magic state distillation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/20—Models of quantum computing, e.g. quantum circuits or universal quantum computers
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法。量子测控系统包括：至少一个任意波形发生器和至少一个量子分析仪，其中，任意波形发生器，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据波形控制参数生成所需的任意波的数据，将任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片；和/或量子分析仪，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的振幅和相位的数据，传送给上位机。本发明极大地减少了量子测控系统与上位机之间的数据交互，降低了对上位机性能的要求，实现了对量子比特测控的加速功能。

Description

量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法
技术领域
本发明涉及一种量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法。
背景技术
在当前超导量子测控系统当中，用户通过独立的上位机电脑通过千兆网口交换机与量子测控系统进行交互，通过上位机电脑向量子测控系统当中的任意波形发生器传输所需发射的任意波形，量子测控系统中的量子分析仪将采集到的信号送给上位机电脑进行分析处理进而得到量子比特当前的状态。一个典型的例子，假设任意波形发生器中的数模转换器(DAC，Digital to Analog Converter)芯片和量子分析仪中的模数转换器(ADC，Analog To Digital Converter)芯片采样率都是2Gsa/s，那么发射100ns波形需要传输200个点的数据，采集5us波形需要传输10000个点的数据。
在超导量子计算的比特参数标定阶段和真实执行量子计算算法的时候需要发射各种形式的脉冲波形，可能是一个时间较长的特殊波形也可能是很多个短脉冲波形，同时每组实验都需要对比特的状态进行波形采集和数据分析，一些简单基础的量子计算实验比如对腔频的扫描，能谱的扫描等都需要发射不同条件的脉冲波形和相应的采集射频信号进而将采集的信号上送给上位机电脑进行数据分析才能完成对腔频和能谱的扫描。
发明内容
本发明的发明人发现，在超导量子测控过程中，由于量子测控系统与上位机电脑间巨大的数据传输量，导致耗时较长，使得这种方式通信的效率较低。现有技术也有一些解决方案被提出，例如采用背板或光口交换机来连接系统内的电脑主机模块、任意波形发生器模块和量子分析仪(数据采集模块)，这些方案可以将数据的传输效率提升10到100倍，但是，与千兆网口交换机相比，背板的子板承载、高速信号传输和电源传输等功能使得背板层数、厚度、通孔数、可靠性要求、频率和高速信号传输质量等方面要求很高，光口用到的光模块使用条件较为苛刻，硬件成本高并且传输效率仍会遇到上位机电脑计算和存储速度的瓶颈，所以此类解决方案的技术难度大大增加，成本也大大增加，严重依赖硬件，不利于量子比特测控拓展。
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法。
第一方面，本发明实施例提供一种量子测控系统，包括：至少一个任意波形发生器和至少一个量子分析仪，其中，所述任意波形发生器，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据所述波形控制参数生成所需的任意波的数据，将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片以便对量子比特进行操控；和/或
所述量子分析仪，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的所述射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取所述数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的所述振幅和相位的数据，传送给所述上位机。
在一个实施例中，所述任意波形发生器包括：第一可编程逻辑器件和所述第一可编辑程器件电连接的数模转换器；
所述第一可编程逻辑器件包括存储器，所述存储器内存储有预设周期的波形数据；
所述第一可编程逻辑器件用于按照预设的采样频率，对存储预设周期的波形数据进行采样得到采样点的垂直分辨率数据，根据所述波形控制参数对所述采样点的垂直分辨率数据进行计算处理，得到所需的任意波的数据，并发送给所述数模转换器；
所述数模转换器，用于将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并输出。
在一个实施例中，所需的任意波数据为高斯调制的正弦波；
所述第一可编程逻辑器件包括存储器，所述存储器存储有预设周期的正弦波数据和高斯波数据；
所述第一可编程逻辑器件用于根据输入的波形控制参数，对每个采样时刻所选取的正弦波数据和高斯波数据分别进行计算，并将计算结果相乘得到高斯调制正弦波的数据，将所述高斯调制正弦波的振幅信息传送给所述数模转换器。
在一个实施例中，所述量子分析仪包括：第二可编程逻辑器件和与所述第二可编程逻辑器件电连接的模数转换器；
所述模数转换器，具体用于采集每次对量子芯片中量子比特进行状态监测得到的射频模拟信号，并对所述射频模拟信号进行模数转换，得到对应的数字信号并输出；
所述第二可编程逻辑器件，用于对所述模数转换器输出的数字信号，提取其中包含比特信息的预设数量的数据点进行快速傅里叶变换，得到对应的频谱数据，从所述频谱数据中确定所述数据点对应的频率点，并根据所述频率点，提取所述频率点对应的振幅和相位的数据，将提取的所述振幅和相位的数据传送给所述上位机。
在一个实施例中，所述任意波形发生器还包括：第一网口，所述第一网口与所述第一可编程逻辑器件电连接，并用于与所述量子测控系统外部的交换机连接，从所述交换机接收所述波形控制参数并输出至所述第一可编程逻辑器件；
所述量子分析仪还包括：第二网口，所述第二网口与所述第二可编程逻辑器件电连接，并用于与所述量子测控系统外部的交换机连接，从所述第二可编程逻辑器件接收所述振幅和相位的数据，通过所述交换机传送至所述上位机。
在一个实施例中，所述任意波形发生器和所述量子分析仪分别布设于不同的板卡上；或者
所述任意波形发生器和所述量子分析仪布设于同一板卡上。
在一个实施例中，所述任意波形发生器和所述量子分析仪布设于同一板卡上，且所述第一可编程逻辑器件和第二可编程逻辑器件集成于同一现场可编程门阵列中。
第二方面，本发明实施例提供一种量子计算机，包括如前述的量子测控系统和量子芯片。
第三方面，本发明实施例提供一种量子计算系统，包括：上位机、量子测控系统以及量子芯片；所述上位机和所述量子测控系统通信连接；其中：
所述上位机，用于发送波形控制参数至所述量子测控系统，以及从所述量子测控系统中获取振幅和相位的数据，并根据所述振幅和相位的数据，分析所述量子芯片中量子比特处于预设量子态的概率；
所述量子测控系统，包括：任意波形发生器和量子分析仪，其中：所述任意波形发生器，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据所述波形控制参数生成所需的任意波的数据，将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片；和/或所述量子分析仪，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的所述射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取所述数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的所述振幅和相位的数据，传送给所述上位机。
在一个实施例中，上述量子计算系统，还包括：
交换机，所述交换机分别与所述上位机和所述量子测控系统通信连接。
第四方面，本发明实施例提供一种量子通信网络，所述量子通信网络中包含至少一个如前述的量子计算系统。
第五个方面，本发明实施例提供了一种如前述量子计算系统进行量子通信的方法。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的上述量子测控系统，实现在实现了在不增加硬件成本基础上，利用任意波形发生器板卡和量子分析仪执行分布式的边缘计算，将波形的生成操作和对采集到的波形进行分析处理的操作都在靠近超导量子比特的一侧(任意波形发生器和量子分析仪侧)完成，极大地减少了量子测控系统与上位机之间的数据交互，提高了量子测控的效率，同时降低了对上位机性能的要求，利用量子测控系统实现了对量子比特测控的加速功能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中量子测控系统的结构示意图之一；
图2为本发明实施例中量子测控系统的结构示意图之二；
图3为具体实例中按照本发明的方式生成任意波形的数据传输示意图；
图4为具体实例中按照现有实现方式生成任意波形的数据传输示意图；
图5为具体实例中按照现有实现方式进行数据采集分析的数据传输示意图；
图6为具体实例中按照本发明的方式进行数据采集分析的数据传输示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
下面结合附图，对本发明实施例提供的量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法的具体实施方式进行详细的说明。
本发明实施例提供的量子测控系统，参照图1所示，包括：至少一个任意波形发生器1和至少一个量子分析仪2，其中，任意波形发生器1，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据波形控制参数生成所需的任意波的数据，将任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片以便对量子比特进行操控；和/或
量子分析仪2，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的振幅和相位的数据，传送给上位机，以便上位机对量子芯片中量子比特处于预设量子态的概率进行分析。
本发明实施例提供的上述量子测控系统，实现在实现了在不增加硬件成本基础上，利用任意波形发生器板卡和量子分析仪执行分布式的边缘计算，将波形的生成操作和对采集到的波形进行分析处理的操作都在靠近超导量子比特的一侧(任意波形发生器1和量子分析仪2侧)完成，极大地减少了量子测控系统与上位机电脑之间的数据交互，同时降低了对上位机性能的要求，利用量子测控系统实现了对量子比特测控的加速功能。
在本发明实施例提供的上述量子测控系统中，任意波形发生器1和量子分析仪2的数量可以有多个，多个任意波形发生器1和量子分析仪2可通过网络与上位机通信，每个任意波形发生器1作为一个通道，按照现有技术中的做法，上位机需要为数量庞大的任意波形发生器1准备波形数据，并都由上位机CPU根据用户输入的参数一次算出，再通过上位机的网口依次发给每个任意波形发生器。上位机需要处理的数据巨大，并且传输效率受到网络传输能力的限制。本发明实施例基于云计算中边缘计算的思路，即是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。边缘计算能够大大减少在云中心模式站点下给应用程序所带来的影响，边缘计算的信息处理位于边缘附近，即事物和人员生成或使用该信息的地方。在本发明实施例中，生成任意波形数据的工作由任意波形发生器中，上位机负责传输波形控制参数即可，大大降低上位机与量子测控系统之间通信的数据，进而提高了信号传输的效率，降低对上位机的处理能力的要求。
量子分析仪的情形与此类似，按照现有技术中的做法，每个量子分析仪采集的射频模拟信号进行模数转换后，均传输至上位机中进行分析处理，上位机对数量庞大的量子分析仪传输过来的数据进行分段再进行相应的时域转频域的处理，提取出振幅和相位并进行分析，不仅传输的数据量巨大，也考验上位机的CPU的处理能力。本发明实施例将数据的处理和提取的操作转由量子分析仪来完成，上位机负责根据振幅和相位的数据对量子比特的在预设量子态上的概率进行分析，同样降低了上位机与量子测控系统之间通信的数据，提高了信号传输的效率，降低对上位机的处理能力的要求。
上述量子测控系统中，任意波形发生器1和量子分析仪2均采用本发明实施例提供的上述改进后方案；或者，任意波形发生器1可以采用本发明实施例提供的改进后的方案，而量子分析仪2采用现有技术的方案；又或者，任意波形发生器1采用本现有技术中的实现方案，而量子分析仪2采用本发明实施例提供的改进后的方案。
为了实现上述对量子比特测控的加速功能，本发明实施例采用硬件加速的方式，即把计算量非常大的工作分配给专门的硬件来处理以减轻中央处理器的工作量的方式。
在一个实施例中，参照图2所示，本发明实施例提供的上述量子测控系统中的任意波形发生器包括：第一可编程逻辑器件和第一可编辑程器件电连接的数模转换器；
第一可编程逻辑器件内部包括存储器，该存储器内存储有预设周期的波形数据；
第一可编程逻辑器件用于按照预设的采样频率，对存储预设周期的波形数据进行采样得到采样点的垂直分辨率数据，根据波形控制参数对采样点的垂直分辨率数据进行计算处理，得到所需的任意波的数据，并发送给数模转换器；
数模转换器，用于将任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并输出。
上述垂直分辨率又称为幅度分辨率，幅度分辨率指定了数模转化后得到的波形的垂直精度。幅度分辨率规格通常表示为位数；例如，8位或16位。垂直分辨率越高，电压范围的量化就越精细。
本发明实施例中，为了与量子分析仪相区分，将任意波形发生器中的可编程逻辑器件称呼为第一可编程逻辑器件，将量子分析仪中的可编程逻辑期间称为呼为第二可编程逻辑器件(具体实现见下文说明)。
本发明实施例并不限于第一可编程逻辑器件的具体硬件类型，并且，也不限定第一可编程逻辑器件中存储器的类型。例如，第一可编程逻辑器件可以为现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)、复杂的可编程逻辑器件(CPLD，ComplexProgrammable Logic Device)、可擦除的可编程逻辑器件(EPLD，Erasable ProgrammableLogic Device)等等。
在一个实施例中，所需的任意波数据为高斯调制的正弦波的情况下；
第一可编程逻辑器件包括存储器，存储器存储有预设周期的正弦波数据和高斯波数据；
第一可编程逻辑器件用于根据输入的波形控制参数，对每个采样时刻所选取的正弦波数据和高斯波数据分别进行计算，并将计算结果相乘得到高斯调制正弦波的数据，将高斯调制正弦波的振幅信息传送给数模转换器。
在一个实施例中，上述第一可编程逻辑器件例如采用FPGA实现。
FPGA的结构通常由三种可编程单元和一个用于存放编程数据的静态存储器组成。这三种可编程单元分别是输入/输出模块(IOB，Input Output Block)、可编程逻辑模块(CLB，Configurable Logic Block)和互连资源(IR，Interconnect Resource)。而它们的工作状态全部都由编程数据存储器中的数据(比特流)设定。
在超导量子计算的比特参数标定阶段和真实执行量子计算算法时，需要向量子芯片发射各种形式的脉冲波形信号，该脉冲波形信号可能是一个时间较长的特殊波形也可能是很多个短脉冲波形，同时每组实验都需要对比特的状态进行波形采集和数据分析，一些简单基础的量子计算实验比如对腔频(超导量子比特是通过超导谐振腔实现的，这个超导谐振腔的固有频率被称为腔频)的扫描，能谱(对超导量子比特施加一个微波信号，从而控制比特的能量状态，改变微波频率观测量子比特能级变化的谱图称为能谱)的扫描等都需要大量的发射和采集射频信号。
本发明实施例提供任意波形发生器中，通过第一可编程逻辑器件例如FPGA进行硬件加速，把原来要在上位机电脑中通过大量计算工作而得到的任意波波形由FPGA的硬件来处理以减轻中央处理器的工作量。在超导量子比特测控中需要1)任意频率、可调幅度、可调相位、可调时长的正弦波。2)任意频率、可调幅度、可调相位、可调时长的方波。3)任意频率、可调幅度、可调相位、可调时长的三角波。4)可调幅度的直流。5)可调幅度、可调时长的高斯波以及高斯调制正弦波。
本发明实施例中，任意波形发生器的第一可编程逻辑器件例如FPGA执行波形的生成过程，与现有上位机处理过程并不相同，具体说明如下：
用户在需要生成上述波形时，使用编译型或者解释型等高级语言，而高级语言需要通过编译器翻译成机器语言，按照现有的做法，波形的生成由上位机完成，在上位机的中央处理器(CPU)处理器内部，生成波形的指令属于顺序执行，一个执行完了再执行下一个。而在本发明实施例中，由于FPGA是一种可编程逻辑芯片,它包含了大量的可编程逻辑单元、存储器和I/O端口等资源。FPGA是纯硬件，使用的是硬件描述语言，通过硬件描述语言在FPGA芯片上自定义集成电路。
与中央处理器不同，FPGA内部是并行的，所有的电路逻辑都是在同一个时钟触发下工作的FPGA，中央处理器和FPGA实现信息处理发出控制信号的方式有所不同，中央处理器是通过主函数或者操作系统实现任务调度的途径来响应各种外部条件触发，并通过软件输出相应的状态来实现电子系统的正常工作，而FPGA是通过纯硬件来实现各种激励的响应，与中央处理器实现控制的根本方法不同，具有可编程性强、运算速度快、可靠性强和并行处理能力强等优点。FPGA常常被用于实现数字信号处理、图像处理、数据压缩、网络通信、深度学习等高性能计算任务。
以前述高斯调制的正弦波为例，例如，在FPGA中预先存储预设周期的正弦波数据和高斯波数据，用户在上位机中输入5个波形控制参数：S1、高斯波形的宽度S2、高斯调制的正弦波的起始时间S3、正弦波的频率S4、正弦波的相位S5、正弦波的振幅。FPGA根据上述波形控制参数计算每个采样时刻所要选取的正弦波数据和高斯波数据，再将二者相乘进而得到高斯调制正弦波的数据，最后再将生成的高斯调制正弦波的数据中每个采样点的振幅信息直接由FPGA传递给DAC。
生成不同形式的波形，所需的波形控制参数可能稍有不同，通常可包含波的宽度、频率、相位、起始点和振幅等参数中的至少一个。本发明实施例对此不做限定。
例如理想的正弦波信号S(t)可表示为：
上式(1)说明只要正弦波信号的幅度A和初始相位不变，它的频谱就是关于f0的谱线。为了操作简化，可令A＝1,/>即不影响对频率的分析。即：
S(t)＝sin(2πfot)＝sinω(t) (2)
式中，
ω(t)＝2πfot (3)
对上式(2)的信号进行采样，采样频率为fs，采样周期为Ts，则可得到离散的波形序列：
S(n)＝sin(2πfonTs) (n＝0,1,2,3......) (4)
相应的相位的离散序列为：
ω(n)＝2πfoTs＝Δω·n (n＝0,1,2,3......) (5)
推导出上式(5)中，
Δω是连续两次采样之间的相位增量。根据采样定理：从上式(4)出来的离散序列即可唯一的恢复出式(2)的模拟信号。由式(6)即可得：
由此可知决定输出频率的是两次采样之间的相位增量因此，只要控制这个相位增量(步长)，就可以控制输出信号的频率。
例如，想要在PFGA中计算出某波形的数据，输入的波形控制参数包括波形的频率和幅度的情况下，FPGA内部的计算过程例如可以如下：
将一个周期的波形数据预先存入FPGA内部的随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)中，然后用FPGA设计的相位累加器来计算并选择RAM中的数据存放地址，最后将数据给定的频率控制字输出，经DAC转换即实现了任意波形输出。再通过幅度控制字，对FPGA产生的原始波形再进行乘法运算，则可得到不同幅度的波形。
从上述过程可以看出，FPGA处理并生成任意波波形信号的过程，与其硬件结构密切相关，同上位机处理方式相比，存在本质差异，并且处理效率较高。
在一个实施例中，参照图2所示，量子分析仪包括：第二可编程逻辑器件和与第二可编程逻辑器件电连接的模数转换器；其中：
模数转换器，具体用于采集每次对量子芯片中量子比特进行状态监测得到的射频模拟信号，并对射频模拟信号进行模数转换，得到对应的数字信号并输出；
第二可编程逻辑器件，用于对模数转换器输出的数字信号，提取其中包含比特信息的预设数量的数据点进行快速傅里叶变换，得到对应的频谱数据，从频谱数据中确定数据点对应的频率点，并根据频率点，提取频率点对应的振幅和相位的数据，将提取的振幅和相位的数据传送给上位机。
在本发明实施例中，考虑将信息的处理放在边缘附近，在量子分析仪采集信号的场景下可以理解为靠近数据生成的地方即模数转换器(ADC)，所有模拟信号的信息都会在ADC处转换为数字信号，沿着一般架构下数据流的方向查找可以得出结论，此时第二可编程逻辑器件是最靠近边缘可进行信息处理的算力。
第二可编程逻辑器件与第一可编程逻辑器件类似，例如可采用FPGA等实现。
第二可编程逻辑器件，将模数转换器输出的每一次对量子比特状态观测的数据进行分析，去掉其中最前和最后的预设数量的数据点(可能包含噪声信号)，提取中间包含比特信息的2N个数据点在FPGA中进行快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)处理，从傅里叶变换得到的频谱数据中找到2N个数据点对应频率点,并提取其振幅和相位的数据。
快速傅里叶变换的目的是将模数转换器输出的时域的信号，转变成频率的信号。
第二可编程逻辑器件将每次观测的结果发送给上位机，上位机统计预设次数(例如1000次)的观测到的结果，可分析量子比特处于预设量子态例如0态或1态的概率。
当量子测控系统比较庞大控制比较多的量子比特时，相比由一台上位机分析和计算所有量子分析仪返回的数据的情形，利用分布式计算的方式将该问题分解为许多小部分，由每个量子分析仪的第二可编程逻辑器件例如FPGA分别计算和分析各自搭配的ADC采集到的数据，这样的并行处理方案会有更大的优势。在本发明实施例中将计算量非常大的工作分配给第二可编程逻辑器件例如FPGA硬件来处理以减轻上位机中央处理器的工作量，进而提升整个系统的效率。
继续参照图2所示，上述任意波形发生器还可以包括：第一网口，该第一网口与第一可编程逻辑器件电连接，并用于与量子测控系统外部的交换机连接，从交换机接收波形控制参数并输出至第一可编程逻辑器件；
量子分析仪还可以包括：第二网口；该第二网口与所述第二可编程逻辑器件电连接，并用于与量子测控系统外部的交换机连接，从第二可编程逻辑器件接收振幅和相位的数据，通过所述交换机传送至上位机。
第一网口和第二网口可以具有类似的结构，例如为由网口和网口芯片组成。
在具体的硬件构成形式上，在本发明实施例中，任意波形发生器和量子分析仪分别布设于不同的板卡上；或者任意波形发生器和量子分析仪布设于同一板卡上。
在一个可能的实施例中，上述任意波形发生器和量子分析仪布设于同一板卡上的情况下，第一可编程逻辑器件和第二可编程逻辑器件集成于同一现场可编程门阵列中。
为了更好地说明本发明实施例提供的上述量子测控系统的结构、工作过程、原理和技术效果，下面以一个具体的例子来说明。
参照图3所示，量子测控系统包括FPGA芯片、DAC芯片和ADC芯片，测控系统通过以太网交换机与上位机电脑通信连接，量子测控系统用于向量子芯片发射射频信号，并且采集量子芯片的射频信号。
FPGA芯片、DAC芯片和ADC芯片布设于同一板卡上。其中FPGA芯片和DAC芯片实现前述任意波形发生器的功能，FPGA芯片和ADC芯片实现前述量子分析仪的功能。
在图3中，FPGA芯片承担了前述实施例中的第一可编程逻辑器件和第二可编程逻辑器件的功能，也可理解为第一可编程逻辑器件和第二可编程逻辑器件通过同一片FPGA硬件实现。
假设任意波形发生器中的DAC芯片和量子分析仪中的ADC芯片采样率都是2Gsa/s，那么发射100ns波形需要传输200个点的数据，采集5us波形需要传输10000个点的数据。
假设需要任意波形发生器的第一通道发射100ns的高斯调制的100MHz正弦波，任意波形发生器板卡上的DAC芯片采样率是2Gsa/s，采样分辨率为16bit。
按照现有技术的做法，如图4所示，要在上位机电脑端输入参量即：S1、波形的宽度；S2、高斯调制的正弦波的起始时间；S3、正弦波的频率；S4、正弦波的相位；S5、正弦波的振幅。假设每个参量用16bit表示，那么上位机电脑端输入数据总量为10B，上位机电脑会通过CPU计算生成脉冲波形文件，100ns时长，每纳秒(ns)两个数据点，一共200个数据点，每个数据点仍然用16bit表示，那么CPU生成的数据一共有400B(图3中的任意波形数据awg_data)。下一步上位机电脑会将生成的400B数据从内存或硬盘上读取出来通过网口交换机发送给任意波形发生器上的网口，数据经过网口芯片进入FPGA芯片，再由FPGA芯片高速串行器/解串器(SERDES，Serializer-Deserializer)接口发送给DAC芯片，由DAC芯片将数字信号转为模拟射频信号发射出来。如果考虑由100个任意波形发生器板卡控制100个超导量子比特的场景，每个通道(一个任意波形发生器为一个通道)的波形数据都由上位机电脑CPU根据用户输入参量依次算出，再经过上位机网口依次发送给每一个板卡。
而本发明实施例中，如图3所示，通过利用FPGA的算力，可以在上位机电脑端输入前述S1到S5五个参量，将这10B的数据送给FPGA芯片，在FPGA芯片内部储存一个N个点描述的正弦波数据和一个M个点描述的高斯波形，根据波形参数计算每个采样时刻所要选取的正弦波数据和高斯波数据再将二者相乘进而得到高斯调制正弦波，最后再将生成的每个采样点的振幅信息直接由FPGA芯片内部通过计算产生需要的400B任意波数据(awg_data)送给DAC芯片。参照图3和图4,通过上述流程，上位机电脑与任意波形发生器板卡之间的数据传输量由400B变为了10B，传输速度变为40倍，极大降低了以太网的数据吞吐量，缩短了传输数据的处理时间，同时由于每个任意波形发生器板卡上都有一颗FPGA芯片，当测控系统比较庞大控制比较多的量子比特时，相比由一台上位机电脑计算所有板卡所需发射波形，利用分布式计算的思想将该问题分解为许多小部分，由每张板卡上的FPGA芯片分别计算各自搭配的DAC芯片所需发射波形序列这样的方案会有更大的优势。
对于数据的采集分析来说，假设需要对一个超导量子比特的状态观测1000次来判断该量子比特所处的量子态，每次用量子分析仪板卡第一通道采集5us波形，量子分析仪板卡上的ADC芯片采样率是2Gsa/s。
按照现有技术的实现方式，如图5所示，需要传输1000×2Gsa/s×5000ns＝10M个点的数据，假设每个数据点用16bit表示，那么10M个数据点总数据量是20MB(如图5中的adc_data)，20MB的数据经由量子分析仪板卡上的FPGA芯片和网口芯片再经过千兆网口交换机传给上位机电脑，上位机电脑将采集到的波形按实验次数进行分段再进行快速傅里叶变换FFT，从每次傅里叶变换后的频谱中找到信号对应频率点提取其振幅和相位判断量子态是0还是1,统计1000次实验观测到的结果可以得到该量子比特处于0态和1态的概率。
在本实例中，参照图6所示，利用FPGA的算力，可以将每一次对量子比特状态观测的数据2Gsa/s×5000ns＝10K个点进行分析，去掉最前和最后的一些数据点，提取中间包含比特信息的2N个数据点在FPGA中进行快速傅里叶变换，从傅里叶变换得到的频谱数据中找到信号对应频率点提取其振幅和相位，仍然假设每个数据用16位二进制数字表示，把现有技术中需要上送的时域数据转换成频域数据，那么一次观测所得频域下振幅和相位总数据量为4B，对一个超导量子比特的状态观测1000次总共数据量为4KB(参照图6所示的fft_data)，4KB的数据经过量子分析仪板卡上的FPGA芯片和网口芯片再经过千兆网口交换机传给上位机电脑，统计1000次实验观测到的结果可以得到该量子比特处于0态和1态的概率。通过这个流程，如图5和图6所示，与现有技术相比，量子分析仪与上位机电脑之间的数据传输量由20MB变为了4KB，传输速度变为5000倍，同时由于每个量子分析仪板卡上都有一颗FPGA芯片，当测控系统比较庞大，需要控制比较多的量子比特时，相比由一台上位机电脑计算所有量子分析仪返回的数据，本实例利用分布式计算的方式将该问题分解为许多小部分，由每张板卡上的FPGA芯片分别计算和分析各自搭配的ADC芯片采集到的数据，这样的并行处理方案会有更大的优势。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种量子计算机、量子计算系统和量子通信网络和量子通信的方法，由于这些装置和方法所解决问题的原理与前述量子测控系统相似，因此该装置方法的实施可以参见前述量子测控系统的实施，重复之处不再赘述。
本发明实施例提供的一种量子计算机，包括如前述的量子测控系统和量子芯片。
上述量子计算机，还可以包括用于输入波形控制参数的输入设备。
本发明实施例提供的一种量子计算系统，包括：上位机、量子测控系统以及量子芯片；所述上位机和所述量子测控系统通信连接；其中：
上位机，用于发送波形控制参数至所述量子测控系统，以及从所述量子测控系统中获取振幅和相位的数据，并根据所述振幅和相位的数据，分析所述量子芯片中量子比特处于预设量子态的概率；
量子测控系统，包括：任意波形发生器和量子分析仪，其中：所述任意波形发生器，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据所述波形控制参数生成所需的任意波的数据，将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片；和/或所述量子分析仪，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的所述射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取所述数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的所述振幅和相位的数据，传送给所述上位机。
在一个实施例中，上述量子计算系统，还可以包括：交换机，所述交换机分别与所述上位机和所述量子测控系统通信连接。
本发明实施例还提供了一种量子通信网络，该量子通信网络中包含至少一个如前述的量子计算系统。
本发明实施例还提供了一种使用如前述的量子计算系统进行量子通信的方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种量子测控系统，包括：至少一个任意波形发生器和至少一个量子分析仪，其特征在于，所述任意波形发生器，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据所述波形控制参数生成所需的任意波的数据，将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片以便对量子比特进行操控；和/或
所述量子分析仪，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的所述射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取所述数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的所述振幅和相位的数据，传送给所述上位机。
2.如权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述任意波形发生器包括：第一可编程逻辑器件和所述第一可编辑程器件电连接的数模转换器；
所述第一可编程逻辑器件包括存储器，所述存储器内存储有预设周期的波形数据；
所述第一可编程逻辑器件用于按照预设的采样频率，对存储预设周期的波形数据进行采样得到采样点的垂直分辨率数据，根据所述波形控制参数对所述采样点的垂直分辨率数据进行计算处理，得到所需的任意波的数据，并发送给所述数模转换器；
所述数模转换器，用于将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并输出。
3.如权利要求2所述的量子测控系统，其特征在于，所需的任意波数据为高斯调制的正弦波；
所述第一可编程逻辑器件包括存储器，所述存储器存储有预设周期的正弦波数据和高斯波数据；
所述第一可编程逻辑器件用于根据输入的波形控制参数，对每个采样时刻所选取的正弦波数据和高斯波数据分别进行计算，并将计算结果相乘得到高斯调制正弦波的数据，将所述高斯调制正弦波的振幅信息传送给所述数模转换器。
4.如权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述量子分析仪包括：第二可编程逻辑器件和与所述第二可编程逻辑器件电连接的模数转换器；
所述模数转换器，具体用于采集每次对量子芯片中量子比特进行状态监测得到的射频模拟信号，并对所述射频模拟信号进行模数转换，得到对应的数字信号并输出；
所述第二可编程逻辑器件，用于对所述模数转换器输出的数字信号，提取其中包含比特信息的预设数量的数据点进行快速傅里叶变换，得到对应的频谱数据，从所述频谱数据中确定所述数据点对应的频率点，并根据所述频率点，提取所述频率点对应的振幅和相位的数据，将提取的所述振幅和相位的数据传送给所述上位机。
5.如权利要求1所述的量子测控系统，其特征在于，所述任意波形发生器还包括：第一网口，所述第一网口与所述第一可编程逻辑器件电连接，并用于与所述量子测控系统外部的交换机连接，从所述交换机接收所述波形控制参数并输出至所述第一可编程逻辑器件；
所述量子分析仪还包括：第二网口，所述第二网口与所述第二可编程逻辑器件电连接，并用于与所述量子测控系统外部的交换机连接，从所述第二可编程逻辑器件接收所述振幅和相位的数据，通过所述交换机传送至所述上位机。
6.如权利要求2-4任一项所述的量子测控系统，其特征在于，所述任意波形发生器和所述量子分析仪分别布设于不同的板卡上；或者
所述任意波形发生器和所述量子分析仪布设于同一板卡上。
7.如权利要求6所述的量子测控系统，其特征在于，所述任意波形发生器和所述量子分析仪布设于同一板卡上，且所述第一可编程逻辑器件和第二可编程逻辑器件集成于同一现场可编程门阵列中。
8.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的量子测控系统和量子芯片。
9.一种量子计算系统，其特征在于，包括：上位机、量子测控系统以及量子芯片；所述上位机和所述量子测控系统通信连接；其中：
所述上位机，用于发送波形控制参数至所述量子测控系统，以及从所述量子测控系统中获取振幅和相位的数据，并根据所述振幅和相位的数据，分析所述量子芯片中量子比特处于预设量子态的概率；
所述量子测控系统，包括：任意波形发生器和量子分析仪，其中：所述任意波形发生器，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据所述波形控制参数生成所需的任意波的数据，将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片；和/或所述量子分析仪，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的所述射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取所述数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的所述振幅和相位的数据，传送给所述上位机。
10.如权利要求9所述的量子计算系统，其特征在于，还包括：
交换机，所述交换机分别与所述上位机和所述量子测控系统通信连接。
11.一种量子通信网络，其特征在于，所述量子通信网络中包含至少一个如权利要求9或10所述的量子计算系统。
12.一种使用如权利要求9或10所述的量子计算系统进行量子通信的方法。
CN202310491027.4A 2023-04-28 2023-04-28 量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法 Pending CN116663670A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310491027.4A CN116663670A (zh) 2023-04-28 2023-04-28 量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310491027.4A CN116663670A (zh) 2023-04-28 2023-04-28 量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116663670A true CN116663670A (zh) 2023-08-29

Family

ID=87718068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310491027.4A Pending CN116663670A (zh) 2023-04-28 2023-04-28 量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116663670A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117217320A (zh) * 2023-11-07 2023-12-12 苏州元脑智能科技有限公司 一种测控系统、数据处理方法、电子设备及存储介质
CN118350476A (zh) * 2024-06-11 2024-07-16 深圳量旋科技有限公司 随机基准测试用控制脉冲信号的生成方法及量子测控系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111010178A (zh) * 2019-12-25 2020-04-14 山东浪潮人工智能研究院有限公司 基于PXIe的任意波形发生器及输出通道扩展方法
CN114037085A (zh) * 2021-11-04 2022-02-11 材料科学姑苏实验室 一种量子操控反馈系统和方法
CN114062887A (zh) * 2020-07-30 2022-02-18 合肥本源量子计算科技有限责任公司 一种量子芯片测试方法、装置、系统及存储介质
CN115793775A (zh) * 2022-11-04 2023-03-14 量子科技长三角产业创新中心 一种量子测控波形生成方法、装置及系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111010178A (zh) * 2019-12-25 2020-04-14 山东浪潮人工智能研究院有限公司 基于PXIe的任意波形发生器及输出通道扩展方法
CN114062887A (zh) * 2020-07-30 2022-02-18 合肥本源量子计算科技有限责任公司 一种量子芯片测试方法、装置、系统及存储介质
CN114037085A (zh) * 2021-11-04 2022-02-11 材料科学姑苏实验室 一种量子操控反馈系统和方法
CN115793775A (zh) * 2022-11-04 2023-03-14 量子科技长三角产业创新中心 一种量子测控波形生成方法、装置及系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117217320A (zh) * 2023-11-07 2023-12-12 苏州元脑智能科技有限公司 一种测控系统、数据处理方法、电子设备及存储介质
CN117217320B (zh) * 2023-11-07 2024-02-20 苏州元脑智能科技有限公司 一种测控系统、数据处理方法、电子设备及存储介质
CN118350476A (zh) * 2024-06-11 2024-07-16 深圳量旋科技有限公司 随机基准测试用控制脉冲信号的生成方法及量子测控系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116663670A (zh) 量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法
CN108375861B (zh) 可实现智能信号处理的高速高精度光模数转换装置和方法
CN105572499B (zh) 一种基于矢量网络分析仪的眼图生成方法
Trail et al. Entanglement and the generation of random states in the quantum chaotic dynamics of kicked coupled tops
CN104977592B (zh) 一种基于pxi总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台及其方法
CN103905179A (zh) 一种电触发时钟相位动态调整方法及装置
CN116466135A (zh) 一种测量射频腔幅频和相频响应的方法、装置
EP4147356A1 (en) Dynamic control for a quantum computer
CN108155911B (zh) 基于fpga的非均匀超宽带稀疏信号采样方法
CN110098973B (zh) 一种基于pxi合成仪器的数据通信测试系统及方法
CN111367158B (zh) 基于sca的波形数字化时间测量方法及系统
CN118171044A (zh) 一种基于多任务学习的信号参数估计方法
CN116701296B (zh) 一种量子比特控制信号参数化生成方法
CN105929348A (zh) 一种磁共振谱仪及基于fpga的磁共振谱仪控制装置
CN103490783B (zh) 一种将模拟信号转换为数字信息的方法
JP2010230473A (ja) モノパルスドップラレーダ装置
US8327090B2 (en) Histogram generation with mixed binning memory
Elkanishy et al. An FPGA decision tree classifier to supervise a communication SoC
Liu et al. Method of high timing resolution pulse synthesis based on virtual sampling
CN116032324A (zh) 电力线载波噪声的测试装置、方法、设备及存储介质
Pareschi et al. Simple and effective post-processing stage for random stream generated by a chaos-based RNG
CN114839905A (zh) 一种量子测控方法及系统
CN113740706A (zh) RFSoC信号捕获和频谱分析装置及方法
JP2009030983A (ja) 波形発生装置、波形生成装置、試験装置およびプログラム
CN113776653A (zh) 振动信号的采样重构系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination