CN217305872U - 一种离子阱芯片的电极控制装置及离子阱量子计算机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种离子阱芯片的电极控制装置，包括机箱以及设于机箱内的机箱调度中心、若干个电极控制板卡；每个电极控制板卡设有多个电极输出接口，并且多个电极输出接口均位于机箱上；每个电极控制板卡通过对应电极输出接口与对应电极电性连接，用于向对应电极输入对应电极控制信号以控制对应电极的工作状态；机箱调度中心，用于接收离子阱量子计算机的主控制模块发送的控制信号并将控制信号下发到每个电极控制板卡，从而使得每个电极控制板卡生成对应电极控制信号以驱动对应电极的工作，实现对多电极的同时控制，同时本实用新型具有体积小、成本低等特点。本实用新型还提供一种离子阱量子计算机。

Description

一种离子阱芯片的电极控制装置及离子阱量子计算机

技术领域

本实用新型涉及离子阱芯片的电极控制，尤其涉及一种离子阱芯片的电极控制装置及离子阱量子计算机。

背景技术

离子阱量子计算机中有一个用于囚禁离子的芯片，该芯片类型常见有刀片阱型和表面阱型。其中，刀片阱型的芯片能够有效快速地囚禁离子，而表面阱型的芯片有更好的可扩展性。随着离子阱量子计算机所操作的量子比特的数量越来越多，表面阱型的芯片成为主流芯片。但是，当离子阱量子计算机中需要控制的电极有几十、甚至上百个时，表面阱型的芯片对于大规模的电极进行有效、快速、准确地控制是当前必须要解决的重要难题之一。

然而，目前的离子阱量子计算机的电极控制方案一般采用市面上现有的集成电路板，该集成电路板存在体积大、成本高等问题。随着离子阱量子计算机控制的电极增多时，所需要的集成电路板的数量也增多，进而导致整个离子阱量子计算机的体积更大、成本更高，并不满足现有的使用需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的之一在于提供一种离子阱芯片的电极控制装置，其能够解决现有的离子阱量子计算机的电极控制设备的体积大、成本高等问题。

本实用新型的目的之二在于提供一种离子阱量子计算机，其能够解决现有的离子阱量子计算机的电极控制设备的体积大、成本高等问题。

本实用新型的目的之一采用如下技术方案实现：

一种离子阱芯片的电极控制装置，应用于离子阱量子计算机，所述电极控制装置包括机箱以及设于所述机箱内的机箱调度中心、若干个电极控制板卡；其中，所述机箱调度中心与所述离子阱量子计算机的主控制模块电性连接、每个电极控制板卡电性连接；

每个电极控制板卡设有多个电极输出接口，并且所述多个电极输出接口均位于所述机箱上；每个电极控制板卡通过对应电极输出接口与对应电极电性连接，用于向对应电极输入对应电极控制信号以控制对应电极的工作状态；

所述机箱调度中心，用于接收所述离子阱量子计算机的主控制模块发送的控制信号并将所述控制信号下发到每个电极控制板卡，从而使得每个电极控制板卡生成对应所述电极控制信号以驱动对应电极的工作。

进一步地，所述电极控制板卡包括电源模块、控制芯片和信号处理模块；

其中，所述电源模块与所述电极控制装置的电源电性连接，用于从电极控制装置的电源获取对应供电电源，并将其转换为所述电极控制板卡中各个模块的工作供电电源；所述控制芯片、信号处理模块分别与电源模块电性连接；

所述控制芯片与机箱调度中心、信号处理模块电性连接，用于接收所述机箱调度中心发送的控制信号并根据所述控制信号生成多路数字信号，以及将每路数字信号通过对应信号处理模块进行处理后输出到对应电极；

所述信号处理模块包括模数转换器和放大电路模块；其中，所述模数转换器，用于将所述数字信号转换为模拟信号；所述放大电路模块，用于对所述模拟信号进行放大处理后通过对应电极输出接口输出到对应电极。

进一步地，所述控制芯片为FPGA芯片，所述FPGA芯片通过第一SFP接口与所述机箱调度中心通信连接。

进一步地，所述电极控制板卡还包括控制管理器；所述控制管理器与所述机箱调度中心通信连接，用于向所述机箱调度中心发送电极控制板卡的地址信息，以使得所述机箱调度中心对所述电极控制板卡进行设备识别。

进一步地，所述控制管理器通过I2C接口与机箱调度中心通信连接；所述控制管理器采用ARM芯片实现。

进一步地，所述电极控制板卡还包括监测模块和LED灯显示模块；其中，所述监测模块与控制管理器电性连接，用于对所述电极控制板卡进行监控并将监控数据上传至所述控制管理器；所述LED灯显示模块与所述控制管理器电性连接，用于显示所述电极控制板卡的工作状态。

进一步地，所述电极控制板卡还包括时钟信号源；所述时钟信号源，用于生成时钟同步信号，以使得所述电极控制板卡上的各个模块的时钟同步；所述电源模块、控制芯片、信号处理模块分别与所述电源模块电性连接。

进一步地，所述电极控制板卡还包括收发器模块和/或以太网接口；所述控制芯片通过收发器模块或以太网接口与所述机箱内的对应电极控制板卡通信连接；

所述电极控制板卡还包括USB接口，所述控制管理器通过USB接口与上位机通信连接，用于接收上位机发送的调试信号以对对应电极控制板卡进行调试。

进一步地，所述机箱为MicroTCA.4的9U机箱，机箱尺寸为482.6 mm *373.3 mm *397.25mm。

本实用新型的目的之二采用如下技术方案实现：

一种离子阱量子计算机，包括主控制模块和若干个如本实用新型的目的之一采用的一种离子阱芯片的电极控制装置；所述主控制模块与上位机、电极控制装置电性连接，用于接收上位机发送控制指令，并下发到每个电极控制装置，进而通过每个电极控制装置实现对离子阱量子计算机的多个电极的同步控制。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过将多个电极控制板卡集成到一个机箱内，通过一个机箱实现对多个电极的同时控制，满足现有技术中对于离子阱量子计算机的多电极的同时控制的需求；同时，本实用新型还具有体积小、成本低等特点。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种离子阱芯片的电极控制装置中的电极控制板卡、机箱调度中心与离子阱量子计算机的主控制板卡的连接示意图；

图2为图1中电极控制板卡的各个模块的连接示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

本实用新型提供一种离子阱芯片的电极控制装置，其通过电极控制板卡来实现对多个电极的控制，同时还将多个电极控制板卡集成到一个机箱内，可实现一个机箱一次性对大量电极的同时控制，降低集成电源的数量，满足现有的离子阱量子计算机的电极控制要求；同时，本实用新型的机箱的体积较小。

如图1和图2所示，本实用新型提供一种优选的实施例，一种离子阱芯片的电极控制装置，包括一机箱以及设于该机箱内的若干个电极控制板卡、机箱调度中心。

一般来说，离子阱量子计算机包括主控制板卡，主控制板卡与上位机通信连接，用于获取上位机发送的控制指令，并将该控制指令下发到每个电极控制装置。也即，本实施例中的电极控制装置的机箱调度中心与离子阱量子计算机的主控制板卡通信连接，用于接收主控制板卡下发的上位机的控制指令。

这样，机箱调度中心，在对接收到的控制指令进行相应的转换生成对应的数字信号并下发到每个电极控制板卡。

其中，离子阱量子计算机的主控制板卡，作为离子阱量子计算机的主控制器，实现上位机与每个电极控制装置的通信连接，以便将控制指令下发到每个机箱调度中心。

由于一个机箱内可能不只有一个电极控制板卡，因此，本实用新型还在离子阱量子计算机与电极控制板卡之间设置机箱调度中心，实现对机箱内的多个电极控制板卡的调度。同时，机箱内可能还设有其他电路模块，因此，机箱调度中心，还与其他的电路模块电性连接，用于对其他电路模块的协调控制，

优选地，电极控制板卡设有多个电极输出端口，并且电极输出端口位于机箱的壳体上。电极控制板卡通过每个电极输出端口与对应的外部的电极电性连接，用于向对应电极输出对应电压信号，以控制电极的工作。也即，本实用新型通过将多个电极控制板卡集成到一个机箱内，可实现对多个电极的同时控制，大大满足现有技术中的离子阱量子计算机对多个电极的控制需求。

优选地，本实施例中机箱优选为MicroTCA.4的9U机箱，其尺寸仅有482.6 mm *373.3 mm *397.25mm，其相较于传统的需要采用几十个电路模块来实现大批量电极控制时导致设备的体积来说，有着极大的缩减。

优选地，本实施例中的电极控制板卡优选为12个，每个电极控制板卡设有16个电极输出端口，这样的话，该机箱即可同时控制16*12个电极的工作，大大满足现有的离子阱量子计算机的需求。

优选地，电极控制板卡包括电源模块、控制芯片和信号处理模块。

其中，电源模块的一端与机箱的电源电性连接，用于从机箱的电源获取供电电源并将其转换为电极控制板卡的内部工作供电电源，以供电极控制板卡上各个模块的使用。控制芯片、信号处理模块均与电源模块电性连接，以获取对应的供电电源。

优选地，控制芯片还与机箱调度中心、信号处理模块电性连接，用于接收机箱调度中心发送的控制信号并生成多路数字信号，然后将每路数字信号通过对应信号处理模块进行处理后通过对应电极输出接口输出到对应电极，实现对电极的控制。

由于本实施例可同时控制多个电极，因此，信号处理模块也设有多个，每路数字信号均可通过对应信号处理模块进行处理后输出到对应电极。

其中，信号处理模块包括模数转换器和放大电路模块。其中，模数转换器，用于模数转换，也即将数字信号转换为模拟信号。放大电路模块，用于对模拟信号进行放大处理后将对应的电压信号输出到对应电极，以控制对应电极的工作。优选地，在实际的应用过程中，模数转换器可同时实现两路信号的处理，而放大电路模块只能处理一路信号，因此，在实际的应用过程中，也可以对模数转换器和放大电路模块的数量进行灵活设置。

优选地，控制芯片采用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）芯片，通过第一SFP接口（Small Form-factor Pluggables）与机箱调度中心通信连接，实现数据的交互。SFP为GBIC的升级版本。其中，GBIC（Gigabit Interface Converter），是将千兆位电信号转换为光信号的接口器件。

优选地，电极控制板卡还设有第二SFP接口。控制芯片可通过第二SFP接口与离子阱量子计算机的其他机箱通信连接。

优选地，电极控制板卡还包括控制管理器。其中，控制管理器与机箱调度中心通信连接，用于向机箱调度中心发送电极控制板卡的地址信息，以使得机箱调度中心对电极控制板卡进行设备识别。由于机箱内可能不只有电极控制板卡，其还可有其他的电路板，因此，对于每个电极控制板卡设置控制管理器，与机箱调度中心进行通信，来实现对电极控制板卡的识别。

本实用新型的电极控制板卡通过控制管理器和控制芯片来同时实现对电极控制板卡的控制，其中，控制芯片主要用于接收机箱调度中心发送的控制信号，以实现对控制信号的处理以生成控制电极的电压信号，实现对电极的控制。而控制管理器除了与机箱调度中心进行数据交互外，还实现电极控制板卡中各个模块的协调控制。具体地，控制管理器还通过I2C接口与机箱调度中心通信连接。

优选地，控制管理器还通过USB与上位机通信连接，用于接收调试信号以实现对电极控制板卡的调试。

优选地，控制管理器可采用ARM芯片实现，也可以采用Linus系统写入到对应的电路模块中来实现。

优选地，电极控制板卡还包括时钟信号源。其中，时钟信号源，用于产生时钟信号，以使得电极控制板卡中其他各个模块的时钟保持同步。具体地，电源模块、控制芯片、控制管理器、信号处理模块分别与时钟信号源电性连接。由于本实施例的一个电极控制板卡可实现16路电极的控制，因此，时钟信号源可同时产生16路低抖动、高精度的时钟信号，以保证多路电极纳秒级的同步精度。

优选地，电极控制板卡还包括收发器模块和/或以太网接口。其中，控制芯片通过收发器模块或以太网接口与其他的电极控制板卡进行数据交互，实现一个机箱内的多个电机控制板卡的数据交互。

优选地，电极控制板卡还包括监测模块、LED灯显示模块。其中，监测模块、LED灯显示模块分别与控制管理器电性连接。监测模块，用于向控制管理器发送监测数据，以使得控制管理器获取电极控制板卡的工作状态。比如监测模块包括温度传感器，通过监测模块可实时了解电极控制板卡的工作温度，以便后续采取对应措施。

LED灯显示模块，用于显示电极控制板卡的工作状态，比如通过显示不同的颜色来标识电极控制板卡的工作状态。

优选地，电极控制板卡还包括存储模块，存储模块与控制芯片、控制管理器电性连接，用于存储电极控制板卡的相关数据以及数据交互过程中的相关数据等。

实施例二

本实用新型还提供另外一实施例，一种离子阱量子计算机，其包括主控制模块和若干个电极控制装置。每个电极控制装置均为实施例一提供的离子阱芯片的电极控制装置。每个离子阱芯片的电极控制装置的机箱调度中心均通过主控制模块与上位机进行通信连接，以实现上位机通过电极控制装置对大量电极的控制，满足现有的电极控制需求。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种离子阱芯片的电极控制装置，应用于离子阱量子计算机，其特征在于，所述电极控制装置包括机箱以及设于所述机箱内的机箱调度中心、若干个电极控制板卡；其中，所述机箱调度中心与所述离子阱量子计算机的主控制模块电性连接、每个电极控制板卡电性连接；

每个电极控制板卡设有多个电极输出接口，并且所述多个电极输出接口均位于所述机箱上；每个电极控制板卡通过对应电极输出接口与对应电极电性连接，用于向对应电极输入对应电极控制信号以控制对应电极的工作状态；

所述机箱调度中心，用于接收所述离子阱量子计算机的主控制模块发送的控制信号并将所述控制信号下发到每个电极控制板卡，从而使得每个电极控制板卡生成对应所述电极控制信号以驱动对应电极的工作。

2.根据权利要求1所述的离子阱芯片的电极控制装置，其特征在于，所述电极控制板卡包括电源模块、控制芯片和信号处理模块；

其中，所述电源模块与所述电极控制装置的电源电性连接，用于从电极控制装置的电源获取对应供电电源，并将其转换为所述电极控制板卡中各个模块的工作供电电源；所述控制芯片、信号处理模块分别与电源模块电性连接；

所述控制芯片与机箱调度中心、信号处理模块电性连接，用于接收所述机箱调度中心发送的控制信号并根据所述控制信号生成多路数字信号，以及将每路数字信号通过对应信号处理模块进行处理后输出到对应电极；

所述信号处理模块包括模数转换器和放大电路模块；其中，所述模数转换器，用于将所述数字信号转换为模拟信号；所述放大电路模块，用于对所述模拟信号进行放大处理后通过对应电极输出接口输出到对应电极。

3.根据权利要求2所述的离子阱芯片的电极控制装置，其特征在于，所述控制芯片为FPGA芯片，所述FPGA芯片通过第一SFP接口与所述机箱调度中心通信连接。

4.根据权利要求2所述的离子阱芯片的电极控制装置，其特征在于，所述电极控制板卡还包括控制管理器；所述控制管理器与所述机箱调度中心通信连接，用于向所述机箱调度中心发送电极控制板卡的地址信息，以使得所述机箱调度中心对所述电极控制板卡进行设备识别。

5.根据权利要求4所述的离子阱芯片的电极控制装置，其特征在于，所述控制管理器通过I2C接口与机箱调度中心通信连接；所述控制管理器采用ARM芯片实现。

6.根据权利要求4所述的离子阱芯片的电极控制装置，其特征在于，所述电极控制板卡还包括监测模块和LED灯显示模块；其中，所述监测模块与控制管理器电性连接，用于对所述电极控制板卡进行监控并将监控数据上传至所述控制管理器；所述LED灯显示模块与所述控制管理器电性连接，用于显示所述电极控制板卡的工作状态。

7.根据权利要求4所述的离子阱芯片的电极控制装置，其特征在于，所述电极控制板卡还包括收发器模块和/或以太网接口；所述控制芯片通过收发器模块或以太网接口与所述机箱内的对应电极控制板卡通信连接；

所述电极控制板卡还包括USB接口，所述控制管理器通过USB接口与上位机通信连接，用于接收上位机发送的调试信号以对对应电极控制板卡进行调试。

8.根据权利要求2所述的离子阱芯片的电极控制装置，其特征在于，所述电极控制板卡还包括时钟信号源；所述时钟信号源，用于生成时钟同步信号，以使得所述电极控制板卡上的各个模块的时钟同步；所述电源模块、控制芯片、信号处理模块分别与所述电源模块电性连接。

9.根据权利要求1所述的离子阱芯片的电极控制装置，其特征在于，所述机箱为MicroTCA.4的9U机箱，机箱尺寸为482.6 mm *373.3 mm *397.25mm。

10.一种离子阱量子计算机，其特征在于，包括主控制模块和若干个如权利要求1-9中任一项所述的一种离子阱芯片的电极控制装置；所述主控制模块与上位机、电极控制装置电性连接，用于接收上位机发送控制指令，并下发到每个电极控制装置，进而通过每个电极控制装置实现对离子阱量子计算机的多个电极的同步控制。

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