CN217386383U - 信号发生装置、量子芯片驱动装置以及量子控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种信号发生装置、量子芯片驱动控制装置以及量子控制系统，包括：依次连接的信号输出模块、信号放大模块和信号输出端口，以及第一信号处理模块，连接所述信号输出模块的输出端，用于将对所述信号输出模块输出的量子驱动信号进行第一阻抗匹配处理，并输出至所述信号放大模块的输入端；其中，所述量子驱动信号用于驱动量子芯片上的若干量子位执行逻辑门操作；第二信号处理模块，连接所述信号放大模块的输出端，用于对所述信号放大模块放大处理后的量子驱动信号进行第二阻抗匹配处理，并通过所述信号输出端口输出。本申请的信号发生装置输出的量子驱动信号的精度更高。

Description

信号发生装置、量子芯片驱动装置以及量子控制系统

技术领域

本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域，特别地，本申请涉及一种信号发生装置、量子芯片驱动装置以及量子控制系统。

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芯片，量子芯片上集成有多个量子位，相互连接的量子位可以协同执行量子计算。相互连接的量子位协同执行量子计算时，需要在量子位上施加两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号，而且这些驱动信号需要在量子位的退相干时间内施加，确保量子计算的准确性。

然而量子位的退相干时间是有限的，因此在退相干时间内施加的驱动信号的次数是有限的，即量子芯片的运算效率是有限的。为了提高量子芯片的运行效率，需要提高施加在量子位上的两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号的操作速率。而这些驱动信号是由对应的信号源提供的，可以通过提高信号源输出的驱动信号的频率带宽，使得施加在量子位上的两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号的操作速率提升。此外，信号源输出的驱动信号还需要经过放大处理，通过放大处理后的驱动信号施加至量子芯片。通常选用高频率带宽的信号源和高增益的运放实现量子位需求的操作速率高的两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号，然而高频率带宽的信号源和高增益的运放工作时会因为阻抗匹配原因使得信号失真，使得输出至量子位的两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号失真，降低量子计算的准确率。如何提高两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号的精度，是亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种信号发生装置、量子芯片驱动装置以及量子控制系统，以解决现有技术中量子驱动信号精度低的不足，本申请能够提高量子驱动信号的精度。

本申请技术方案如下：

本申请一方面提供了一种信号发生装置，包括：依次连接的信号输出模块、信号放大模块和信号输出端口，以及第一信号处理模块，连接所述信号输出模块的输出端，用于将对所述信号输出模块输出的量子驱动信号进行第一阻抗匹配处理，并输出至所述信号放大模块的输入端；其中，所述量子驱动信号用于驱动量子芯片上的若干量子位执行逻辑门操作；第二信号处理模块，连接所述信号放大模块的输出端，用于对所述信号放大模块放大处理后的量子驱动信号进行第二阻抗匹配处理，并通过所述信号输出端口输出。

如上所述的信号发生装置，优选的，所述信号输出模块输出的量子驱动信号为电流信号。

如上所述的信号发生装置，优选的，所述信号输出模块包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端输出第一电流信号，所述第二输出端输出第二电流信号；其中，所述第一电流信号和所述第二电流信号为差分电流信号。

如上所述的信号发生装置，优选的，所述第一信号处理模块包括第一电阻、第二电阻、以及第三电阻；

所述第一电阻的第一端和第二端分别连接所述信号输出模块的第一输出端和所述信号放大模块的第一输入端；

所述第二电阻的第一端和第二端分别连接所述信号输出模块的第二输出端和所述信号放大模块的第二输入端；

所述第三电阻的第一端连接所述信号放大模块的第二输入端，所述第三电阻的第二端接地。

如上所述的信号发生装置，优选的，所述第二信号处理模块包括并联连接的第四电阻和第一电容、以及第五电阻；

所述第四电阻和所述第一电容的第一端连接地，所述第四电阻和所述第一电容的第二端连接所述信号输出端口；

所述第五电阻的第一端连接所述信号放大模块的输出端，所述第五电阻的第二端连接所述信号输出端口。

如上所述的信号发生装置，优选的，还包括信号转换模块，所述信号转换模块连接所述信号输出模块的第一输出端和第二输出端，用于将所述差分电流信号处理为差分电压信号，并输出至所述第一信号处理模块。

如上所述的信号发生装置，优选的，所述信号转换模块包括并联连接的第六电阻和第二电容、以及并联连接的第七电阻和第三电容；

所述第六电阻和所述第二电容的第一端连接所述信号输出模块的第一输出端，所述第六电阻和所述第二电容的第二端连接地；

所述第七电阻和所述第三电容的第一端连接所述信号输出模块的第二输出端，所述第七电阻和所述第三电容的第二端连接地。

本申请另一方面提供了一种量子芯片驱动装置，包括一PCB、以及集成在所述PCB上的如上所述的信号发生装置，所述信号发生装置输出用于驱动量子芯片的量子驱动信号。

如上所述的量子芯片驱动装置，优选的，所述信号转换模块和所述信号输出模块在所述PCB上相邻设置。

如上所述的量子芯片驱动装置，优选的，所述信号输出端口与所述第二信号处理模块在所述PCB上相邻设置。

本申请再一方面提供了一种量子控制系统，包括若干个上述的量子芯片驱动装置。

与现有技术相比，本申请的信号发生装置，包括依次连接的信号输出模块、信号放大模块和信号输出端口，以及第一信号处理模块，连接所述信号输出模块的输出端，用于将对所述信号输出模块输出的量子驱动信号进行第一阻抗匹配处理，并输出至所述信号放大模块的输入端；其中，所述量子驱动信号用于驱动量子芯片上的若干量子位执行逻辑门操作；第二信号处理模块，连接所述信号放大模块的输出端，用于对所述信号放大模块放大处理后的量子驱动信号进行第二阻抗匹配处理，并通过所述信号输出端口输出。通过第一信号处理模块对信号输出模块和信号放大模块之间的阻抗进行匹配，提高进入信号放大模块的待放大的信号精度；此外，再通过第二信号处理模块对信号放大模块和信号输出端口之间的阻抗进行匹配，提高通过信号输出端口输出的量子驱动信号的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的一种信号发生装置组成模块示意图；

图2是本申请实施例提供的一种信号发生装置电路示意图；

图3是本申请实施例提供的一种量子芯片驱动装置的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种量子控制系统的结构示意图。

1-信号发生装置，2-量子芯片驱动装置2，3-量子控制系统，4-量子芯片，

11-信号输出模块，12-第一信号处理模块，13-信号放大模块，14-第二信号处理模块，15-信号输出端口，16-信号转换模块，21-PCB，

121-第一电阻，122-第二电阻，123-第三电阻，141-第四电阻，142-第一电容，143-第五电阻，161-第六电阻，162-第二电容，163-第七电阻，164- 第三电容。

具体实施方式

以下详细描述仅是说明性的，并不旨在限制实施例和/或实施例的应用或使用。此外，无意受到前面的“背景技术”或“实用新型内容”部分或“具体实施方式”部分中呈现的任何明示或暗示信息的约束。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

量子芯片是量子计算机的核心，量子芯片上集成有多个量子位，相互连接的量子位可以协同执行量子计算。量子位的数量以及量子位之间的连接数量直接影响量子计算机的计算能力和效率。其中，需要多个相互连接的量子位协同执行量子计算时，需要在这些量子位上施加两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号，而且这些驱动信号需要在量子位的退相干时间内施加，确保量子计算的准确性。

众所周知，量子位的退相干时间是有限的，因此在退相干时间内施加的驱动信号的次数是有限的，即量子芯片的运算效率是有限的。为了提高量子芯片的运行效率，需要提高施加在量子位上的两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号的操作速率。而这些驱动信号是由对应的信号源提供的，可以通过提高信号源输出的驱动信号的频率带宽，使得施加在量子位上的两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号的操作速率提升。此外，信号源输出的驱动信号还需要经过放大处理，通过放大处理后的驱动信号施加至量子芯片。

通常选用高频率带宽的信号源和高增益的运放实现量子位需求的操作速率高的两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号，然而高频率带宽的信号源和高增益的运放工作时会因为阻抗匹配原因使得信号失真，使得输出至量子位的两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号失真，降低量子计算的准确率。如何在确保两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号的高频率带宽和高增益需求的情况下，提高两比特逻辑门驱动信号或者多比特逻辑门驱动信号的精度，是目前量子计算领域亟需解决的问题之一。

基于此，如图1所示，本实施例提供一种信号发生装置1，包括依次连接的信号输出模块11、信号放大模块13、信号输出端口15，以及第一信号处理模块12，所述第一信号处理模块12连接所述信号输出模块11的输出端，用于将对所述信号输出模块11输出的量子驱动信号进行第一阻抗匹配处理，并输出至所述信号放大模块13的输入端；其中，所述量子驱动信号用于驱动量子芯片上的若干量子位执行逻辑门操作；以及第二信号处理模块14，所述第二信号处理模块14连接所述信号放大模块13的输出端，用于对所述信号放大模块13放大处理后的量子驱动信号进行第二阻抗匹配处理，并通过所述信号输出端口15输出。

其中，本申请选用的信号输出模块11输出的量子驱动信号的频率段为 DC-500MHz，同时选用的信号放大模块13的增益为±4V，确保通过信号输出端口15输出的量子驱动信号为高频率段和高增益参数的信号，提高量子芯片上量子位的操作速度和运算效率。需要补充的是，本申请的量子驱动信号为脉冲信号。本申请实施例的信号输出模块11可以为DAC芯片，信号放大模块13 可以为运放芯片。

如电子领域基础知识可知，信号传输线存在引线电阻、引线电感和杂散电容，脉冲信号在传输时极易产生上冲和振铃现象。此外，脉冲信号在传输过程中会因为阻抗的变化发生信号的反射。这个信号可能是驱动端发出的信号，也可能是远端反射回来的反射信号。信号在驱动端和远端负载之间多次反射，也会引起信号振铃。

本申请的信号输出模块11输出的量子驱动信号为高频率段的脉冲信号，信号上冲和信号振铃现象尤为明显，通过在信号输出模块11和信号放大模块 13之间设置第一信号处理模块12，对信号输出模块11输出的量子驱动信号进行阻抗匹配，即对信号输出模块11和信号放大模块13的阻抗进行匹配，使得量子驱动信号传输至信号放大模块13的输入端时，信号上冲和信号振铃幅度极低，确保待放大信号的精度。

此外，在信号放大模块13和信号输出端口15之间设置第二信号处理模块 14，对放大后的量子驱动信号进行阻抗匹配，即对信号放大模块13和信号输出端口15的阻抗进行匹配，同样实现降低信号上冲和信号振铃的效果，还可以降低信号噪声，提高通过信号输出端口15输出的放大后的量子驱动信号的精度。当通过信号输出端口15输出量子驱动信号至量子芯片4时，确保输出至量子芯片4的量子驱动信号的精度。需要补充的是，信号输出端口15可以为具体的信号连接件，如SMA连接件、SMP连接件等。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述信号输出模块11输出的量子驱动信号为电流信号。信号输出模块11可以为信号源设备，例如电流源、电压源等输出脉冲信号的源设备。对比而言，电流源受负载的非线性影响较小，性能稳定。

量子芯片通常设置在制冷设备中，尤其是超导量子芯片4，其工作温度更是达到10mK，需要设置于稀释制冷剂的温度最底层。同时，为量子芯片提供驱动信号的信号源设备通常设置与制冷设备的外部，可以想象的是，信号发生装置1与量子芯片之间的连接线缆较长，而且在信号发生装置1和量子芯片之间还设置有多个用于信号衰减、信号滤波等功能的电子器件，相对于信号发生装置1来说，这些连接线缆、电子器件均可以视为负载元件，而这些负载元件的参数波动会对信号发生装置1的稳定性产生影响。本申请在实施的时候采用电流源，即信号输出模块11输出的量子驱动信号为电流信号，提高信号输出模块11的性能稳定性。

如图2所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述信号输出模块11 包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端输出第一电流信号，所述第二输出端输出第二电流信号；其中，所述第一电流信号和所述第二电流信号为差分电流信号。

具体的，通过信号输出模块11的第一输出端和第二输出端分别输出第一电流信号和第二电流信号形成差分电流信号，即量子驱动信号，相比于单端输出量子驱动信号，可以提高量子驱动信号的抗干扰能力，进而确保量子驱动信号的精度。

如图2所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一信号处理模块 12包括第一电阻121、第二电阻122、以及第三电阻123；所述第一电阻121 的第一端和第二端分别连接所述信号输出模块11的第一输出端和所述信号放大模块13的第一输入端；所述第二电阻122的第一端和第二端分别连接所述信号输出模块11的第二输出端和所述信号放大模块13的第二输入端；所述第三电阻123的第一端连接所述信号放大模块13的第二输入端，所述第三电阻 123的第二端接地。

具体的，信号输出模块11输出的量子驱动信号为差分信号，每一路上均串联一个匹配电阻，即信号输出模块11的第一端与信号放大模块13的第一输入端之间串联第一电阻121，信号输出模块11的第二端与信号放大模块13的第二输入端之间串联第二电阻122，通过第一电阻121和第二电阻122进行阻抗匹配，并降低噪声。此外，在信号放大单元的第二输入端还连接有第三电阻 123，第三电阻123的另一端接地，第三电阻123与第二电阻122作用相同，也用于对差分信号中的一路信号进行阻抗匹配。其中，第一电阻121、第二电阻122、以及第三电阻123的阻值可以选择相同参数。

此外，如图3所示，信号放大模块13的输入端有正负区分，其中，正即正向输入，负即反向输入，正向输入为正比例放大，负向输入为反比例放大。如电子领域基础知识可知，正向输入与反向输入的阻抗、干扰、以及抑制比均不同。本申请的信号发生装置输出的信号需要作用于量子芯片，负载阻抗很大，而且量子芯片需要的量子驱动信号的电压幅值很大且电流很小，即功耗很低。因此，本申请实施例的信号放大模块13采用正向输入的方式。为了减小正向输入的干扰，可以采用将模拟地和数字地物理空间分割，增强对共模干扰抑制。

继续如图2所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述第二信号处理模块14包括并联连接的第四电阻141和第一电容142、以及第五电阻143；所述第四电阻141和所述第一电容142的第一端连接地，所述第四电阻141和所述第一电容142的第二端连接信号输出端口15；所述第五电阻143的第一端连接所述信号放大模块13的输出端，所述第五电阻143的第二端连接所述信号输出端口15。

具体的，信号放大模块13输出端输出的为一路放大后的量子驱动信号，在信号放大模块13输出端与信号输出端口15之间串联第五电阻143，通过第五电阻143进行阻抗匹配。此外，并联的第四电阻141和第一电容142可以对放大后的量子驱动信号中的噪声进行吸收，提高信号精度。其中，第五电阻 143的阻值可以选择与第一电阻121相同参数。

需要补充的是，图2中信号放大模块13仅标注了用于接收待放大信号的第一输入端和第二输入端、以及用于输出放大后信号的输出端，并不意味着信号放大模块13仅有此三个信号端口，还包括其他端口，如电源端口、接地端口、反馈端口等等，根据具体的信号放大模块13的使用说明书确定。

作为本申请实施例的一种实施方式，信号发生装置1还包括信号转换模块 16，所述信号转换模块16连接所述信号输出模块11的第一输出端和第二输出端，用于将所述差分电流信号处理为差分电压信号，并输出至所述第一信号处理模块12。如前文描述，本申请实施例的信号输出模块11是电流源，输出的信号为差分电流信号，通过信号转换模块16连接信号输出模块11的第一输出端和第二输出端，将差分电流信号转换为差分电压信号，用于信号放大模块 13进行放大处理。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述信号转换模块16包括并联连接的第六电阻161和第二电容162、以及并联连接的第七电阻163和第三电容164；所述第六电阻161和所述第二电容162的第一端连接所述信号输出模块11的第一输出端，所述第六电阻161和所述第二电容162的第二端连接地；所述第七电阻163和所述第三电容164的第一端连接所述信号输出模块11的第二输出端，所述第七电阻163和所述第三电容164的第二端连接地。

具体的，信号输出模块11的第一输出端和第二输出端分别通过第六电阻 161和第七电阻163连接地进行阻抗匹配，并将电流信号转换为电压信号；以及通过与第六电阻161和第七电阻163分别并联连接的第二电容162和第三电容164降低信号上冲，使得转换后的差分电压信号精度更高。其中，第六电阻 161和第七电阻163的阻值可以选择相同，第二电容162和第三电容164的容值可以选择相同。

如图3所示，基于同一申请构思，本申请实施例提供一种量子芯片驱动装置2，包括一PCB21、以及集成在所述PCB21上的信号发生装置，所述信号发生装置输出用于驱动量子芯片的量子驱动信号。本申请实施例的信号发生装置均为电子器件，通过在PCB21上集成各个电子器件，并通过信号输出端口15 进行量子驱动信号输出。在通过PCB21集成信号发生装置组装成量子芯片驱动装置2，在量子计算机系统中更容易集成。

继续如图3所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述信号转换模块16和所述信号输出模块11在所述PCB21上相邻设置。所述信号输出端口15 与所述第二信号处理模块14在所述PCB21上相邻设置。具体的，通过在PCB21 上将信号转换模块16与信号输出模块11相邻设置，即对应的电子元件在物理位置上相互靠近，使得通过信号转换模块16转换后输出的差分电流信号阻抗匹配效果更好，有利于提高量子驱动信号的精度。此外，通过在PCB21上将信号输出端口15与第二信号处理模块14相邻设置，使得通过信号放大模块13 处理后的量子驱动信号在通过信号输出端口15输出时阻抗匹配效果更好，也有利于提高量子驱动信号的精度。

如图4所示，基于同一申请构思，本申请实施例提供一种量子控制系统3，包括若干个上述的量子芯片驱动装置。随着量子计算技术的发展，量子芯片4 上量子位的数量越来越多，而每个量子位都需要对应的量子驱动信号，因此对应的量子芯片驱动装置的输出通道数量对应增多。通过采用多个量子芯片驱动装置，并将对应的PCB21通过板卡或者背板等形式进行集成，实现更多位的量子芯片4的驱动需求，而且集成度高。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非对本申请范围的任何限定，本申请领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种信号发生装置，其特征在于，包括依次连接的信号输出模块、信号放大模块和信号输出端口，以及

第一信号处理模块，连接所述信号输出模块的输出端，用于将对所述信号输出模块输出的量子驱动信号进行第一阻抗匹配处理，并输出至所述信号放大模块的输入端；其中，所述量子驱动信号用于驱动量子芯片上的若干量子位执行逻辑门操作；

第二信号处理模块，连接所述信号放大模块的输出端，用于对所述信号放大模块放大处理后的量子驱动信号进行第二阻抗匹配处理，并通过所述信号输出端口输出。

2.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号输出模块输出的量子驱动信号为电流信号。

3.如权利要求2所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号输出模块包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端输出第一电流信号，所述第二输出端输出第二电流信号；其中，所述第一电流信号和所述第二电流信号为差分电流信号。

4.如权利要求3所述的信号发生装置，其特征在于，所述第一信号处理模块包括第一电阻、第二电阻、以及第三电阻；

所述第一电阻的第一端和第二端分别连接所述信号输出模块的第一输出端和所述信号放大模块的第一输入端；

所述第二电阻的第一端和第二端分别连接所述信号输出模块的第二输出端和所述信号放大模块的第二输入端；

所述第三电阻的第一端连接所述信号放大模块的第二输入端，所述第三电阻的第二端接地。

5.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述第二信号处理模块包括并联连接的第四电阻和第一电容、以及第五电阻；

所述第四电阻和所述第一电容的第一端连接地，所述第四电阻和所述第一电容的第二端连接所述信号输出端口；

所述第五电阻的第一端连接所述信号放大模块的输出端，所述第五电阻的第二端连接所述信号输出端口。

6.如权利要求3所述的信号发生装置，其特征在于，还包括信号转换模块，所述信号转换模块连接所述信号输出模块的第一输出端和第二输出端，用于将所述差分电流信号处理为差分电压信号，并输出至所述第一信号处理模块。

7.如权利要求6所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号转换模块包括并联连接的第六电阻和第二电容、以及并联连接的第七电阻和第三电容；

所述第六电阻和所述第二电容的第一端连接所述信号输出模块的第一输出端，所述第六电阻和所述第二电容的第二端连接地；

所述第七电阻和所述第三电容的第一端连接所述信号输出模块的第二输出端，所述第七电阻和所述第三电容的第二端连接地。

8.一种量子芯片驱动装置，其特征在于，包括一PCB、以及集成在所述PCB上的如权利要求6所述的信号发生装置，所述信号发生装置输出用于驱动量子芯片的量子驱动信号。

9.如权利要求8所述的量子芯片驱动装置，其特征在于，所述信号转换模块和所述信号输出模块在所述PCB上相邻设置。

10.如权利要求8所述的量子芯片驱动装置，其特征在于，所述信号输出端口与所述第二信号处理模块在所述PCB上相邻设置。

11.一种量子控制系统，其特征在于，包括若干个权利要求8所述的量子芯片驱动装置。

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