CN219642278U - 时钟信号发生器、信号源、量子控制系统及量子计算机 - Google Patents
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Abstract
本申请属于量子测控技术领域，公开了一种时钟信号发生器、信号源、量子控制系统及量子计算机；时钟信号发生器包括时钟振荡器，用于输出预设频率的主时钟信号；时钟源，用于输出频率与所述预设频率相同的参考时钟信号；时钟分发模块，基于所述主时钟信号工作，并输出工作时钟信号；其中，参考时钟信号用于所述时钟分发模块对所述主时钟信号进行校准。本申请能实现对量子处理器上各量子比特的操控同步。
Description
技术领域
本申请涉及量子测控技术领域，尤其是涉及一种时钟信号发生器、信号源、量子控制系统及量子计算机。
背景技术
量子处理器为运行量子计算的核心部件，量子处理器上集成有多位量子比特，为了保证量子比特的正常工作，需要设置多个信号源、时钟信号发生器、测量设备为每个量子比特提供各种控制信号和测量信号、例如频率控制信号、量子态控制信号、量子态读取信号。随着技术的发展，量子处理器上的量子比特的位数提高至几百位、甚至几千上万位，对应的信号源、时钟信号发生器、测量设备的数量也会越来越多。量子处理器在实行量子计算任务时，需要严格按照时序来执行，因此需要若干时钟源为各设备提供时钟信号，时钟信号的精确性、统一性和同步性难以保证，从而使得量子控制系统输出的控制信号的同步性较差，无法满足对量子处理器上各量子比特的操控同步。
因此，如何实现对量子处理器上各个量子比特的操控同步是本领域亟待解决的技术问题。
需要说明的是，公开于本申请背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
实用新型内容
本申请的目的在于提供一种时钟信号发生器、信号源、量子控制系统及量子计算机，用于实现对量子处理器上各个量子比特的操控同步。
为了实现上述目的，本申请一方面提出一种时钟信号发生器，包括：
时钟振荡器，用于输出预设频率的主时钟信号；
时钟源，用于输出频率与所述预设频率相同的参考时钟信号；
时钟分发模块，基于所述主时钟信号工作，并输出工作时钟信号；
其中，参考时钟信号用于所述时钟分发模块对所述主时钟信号进行校准。
如上所述的时钟信号发生器，优选的，所述时钟振荡器包括晶体振荡器，用于输出所述主时钟信号至所述时钟分发模块的OSCIN管脚。
如上所述的时钟信号发生器，优选的，所述时钟振荡器的控制管脚电连接所述时钟分发模块的CPOUT管脚，用于依据所述CPOUT管脚输出的电流控制信号调整所述主时钟信号。
如上所述的时钟信号发生器，优选的，还包括变压器模块，用于接收时钟源输出的单端参考时钟信号，并输出差分式的参考时钟信号至所述时钟分发模块的CLKIN1/FIN+和CLKIN1/FIN-管脚。
如上所述的时钟信号发生器，优选的，所述变压器模块包括巴伦变压器。
如上所述的时钟信号发生器，优选的，还包括ESD器件，所述ESD器件的一端电连接所述变压器模块的输入端，所述ESD器件的另一端接地。
如上所述的时钟信号发生器，优选的，还包括脉冲源，用于输出秒脉冲信号至所述时钟分发模块的SYNC管脚。
本申请另一方面提供一种信号源，包括任一项上述的时钟信号发生器、中控模块及数据处理模块；
所述中控模块用于输出若干个量子计算任务的信号数据，并对各量子计算任务的任务结果进行处理；
所述数据处理模块用于依据所述信号数据输出对应的控制信号，并对量子处理器输出的模拟信号进行处理获得所述任务结果；
所述时钟信号发生器用于提供所述中控模块和所述数据处理模块工作的工作时钟信号。
本申请另一方面提供一种量子控制系统，包括上述的信号源。
本申请再一方面提供一种量子计算机，包括上述的量子控制系统、及量子处理器；所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的控制信号执行量子运算。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
本申请一方面由时钟振荡器输出预设频率的主时钟信号至时钟分发模块。此外，另一方面采用时钟源输出与主时钟信号的频率相同的参考时钟信号至时钟分发模块，时钟分发模块通过参考时钟信号对主时钟信号进行校准，确保输出的工作时钟信号的精确度。
附图说明
图1为本申请实施例提出的一种时钟信号发生器的功能模块组成示意图；
图2为本申请实施例提出的一种时钟信号发生器的校准管脚电连接示意图；
图3为本申请实施例提出的一种包括变压器模块的时钟信号发生器的功能模块组成示意图；
图4为本申请实施例提出的一种包括脉冲源的时钟信号发生器的功能模块组成示意图。
1-时钟振荡器，2-时钟源，3-时钟分发模块，4-变压器模块，5-ESD器件，6-脉冲源。
具体实施方式
下面将结合示意图对本申请的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本申请的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
对现在市场上已有的一些量子计算机而言，大都采用上位机、量子控制系统以及量子处理器的组合来实现一些量子计算任务，一般通过上位机接收用户的量子计算任务，对量子计算任务进行处理并形成量子线路，然后将量子线路映射到对应量子处理器的拓扑结构中。量子线路中包含了本次量子计算任务所需要的量子逻辑门、最终量子计算结果的测量操作以及各个操作的时序，量子控制系统在接收到量子线路中包含的这些信息时，会将这些信息转化成相应指令以使得相应的硬件设备进行操作并完成量子计算任务。
一般地，一个量子处理器上设有多个量子比特(也可称之为量子位)以及数据传输线，每个量子比特包括相互耦合连接的探测器和量子比特装置，其中，量子比特装置可以为利用超导约瑟夫森结和对地电容构成的人造超导量子比特，探测器可以为谐振腔。量子比特装置上设置有第一控制信号线和第二控制信号线，与量子比特装置耦合连接的探测器上设有第三控制信号线，其中，第一控制信号线用于传输对量子比特装置进行量子态信息调控的量子态调控信号，第二控制信号线用于传输对量子比特装置进行频率参数调控的频率调控信号，而第三控制信号线既用于传输对探测器进行测量读取的测量信号又用于将探测器返回的读取回传信号输出，以实现对量子比特装置状态的间接读取测量。因此，用于量子处理器中量子比特调控和测量的量子控制系统需要生成并输出三种控制信号分别提供给第一至第三控制信号线，以实现对量子处理器中量子比特的调控和测量。
申请人在实际应用时发现，由于量子计算任务中包含的量子逻辑门需要在对应的量子比特退相干之前完成，因此，在进行量子处理器在处理量子计算任务时对控制信号的精度要求很高。在执行量子计算任务时，往往需要同时对多个量子比特进行调控或读取操作，此时就需要保证量子控制系统输出给多个量子比特的控制信号可以同步。量子控制系统中包括各种信号源模块，信号源模块依据时钟信号工作，时钟信号的精确度、统一度、同步度直接影响各信号源模块输出的信号同步。此外，随着量子处理器上量子位的数量扩增，量子控制系统内的功能模块的数量对应增多，时钟信号的数量也越来越多，时钟信号的精确度、统一度、同步度难以保证，直接影响量子控制系统输出的控制信号的同步性。
基于此，如附图1所示，本申请实施例提供一种时钟信号发生器，包括时钟振荡器1，用于输出预设频率的主时钟信号；时钟源2，用于输出频率与所述预设频率相同的参考时钟信号；时钟分发模块3，基于所述主时钟信号工作，并输出工作时钟信号；其中，参考时钟信号用于所述时钟分发模块3对所述主时钟信号进行校准。
本申请人研发的量子控制系统中集成多个功能模块，各功能模块的工作时钟采用时钟分发模块3提供，时钟分发模块3工作时通常需要提供时钟信号，本实施例中由时钟振荡器1输出预设频率的主时钟信号至时钟分发模块3。此外，还采用时钟源2输出与主时钟信号的频率相同的参考时钟信号至时钟分发模块3，时钟分发模块3通过参考时钟信号对主时钟信号进行校准，确保输出的工作时钟信号的精确度。
本实施例中，时钟分发模块3选用HMC7044系列芯片，通过HMC7044芯片内的两个锁相环对主时钟信号的抖动和杂散进行衰减抑制噪声，并通过参考时钟信号进行比对，输出频率符合要求的工作时钟信号。需要补充的是，无论是主时钟信号还是参考时钟信号，其信号类型通常为方波信号，将频率参数设置为预设频率，例如100MHz，确保其频率准确即准确度高。
在本实施例中，所述时钟振荡器1包括晶体振荡器，用于输出所述主时钟信号至所述时钟分发模块3的OSCIN管脚。具体的，晶体振荡器选择压控振荡器，其为输出频率与输入控制电压具有对应关系的振荡电路，输出频率是输入信号电压的函数，压控振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制。因此，可以通过调节输入端的电压信号，调节压控振荡器的输出频率，即主时钟信号的频率；并将压控振荡器的输出管脚电连接时钟分发模块3的OSCIN管脚，传输主时钟信号。
此外，如附图2所示，所述时钟振荡器1的控制管脚电连接所述时钟分发模块3的CPOUT管脚，用于依据所述CPOUT管脚输出的电流控制信号调整所述主时钟信号。时钟分发模块3的CPOUT管脚是第一个锁相环的电荷泵输出管脚，通过输出的电流信号控制晶体振荡器输出的主时钟信号的频率，实现对主时钟信号的控制和校准。
如附图3所示，本申请的时钟信号发生器还包括变压器模块4，用于接收时钟源2输出的单端参考时钟信号，并输出差分式的参考时钟信号至所述时钟分发模块3的CLKIN1/FIN+和CLKIN1/FIN-管脚。采用变压器模块4降单端参考时钟信号处理为差分式的参考时钟信号并输入至时钟分发模块3，提高参考时钟的抗干扰性，确保作为标准的参考时钟的准确度，进而确保校准后主时钟信号的精确度。此外，在本实施例中，变压器模块4包括巴伦变压器。
继续如附图3所示，本申请的时钟信号发生器还包括ESD器件5，所述ESD器件5的一端电连接所述变压器模块4的输入端，所述ESD器件5的另一端接地。在本实施例中，时钟分发模块3、时钟振荡器1、变压器模块4集成于一PCB上，提供参考时钟信号的时钟源2为外部源设备，通过PCB板上集成的信号连接器传输参考时钟信号至时钟分发模块3。可以想象的是，信号连接器上接收参考时钟信号时携带静电，通过在变压器模块4的输入端设置ESD器件5，可以消除静电，确保参考时钟的准确性，进而提高时钟分发模块3输出的工作时钟信号的精确度。
如附图4所示，本实施例的时钟信号发生器还包括脉冲源6，用于输出秒脉冲信号至所述时钟分发模块3的SYNC管脚。本实施例的时钟信号发生器应用于量子计算机中，量子处理器的位数很多，需要为量子位提供控制信号的各种信号源设备的数量也很多，因此，时钟分发模块3的数量也通常包含多个，通过设置脉冲源6输出秒脉冲信号至各时钟分发模块3的SYNC管脚，确保各时钟分发模块3之间的时钟同步，进而确保各时钟分发模块3输出的各工作时钟信号的同步，进一步确保量子计算机中所有信号源设备的工作时钟信号均同步。
需要补充的是，附图中示例的时钟分发模块3的、OSCIN管脚、CPOUT管脚、CLKIN1/FIN+、CLKIN1/FIN-、SYNC管脚仅为部分管脚，此外，还有其他管脚，例如电源输入管脚、接地管脚等等，并未示例。
基于同一申请构思，本申请实施例还提供一种信号源，包括任一项上述的时钟信号发生器、中控模块及数据处理模块；所述中控模块用于输出若干个量子计算任务的信号数据，并对各量子计算任务的任务结果进行处理；所述数据处理模块用于依据所述信号数据输出对应的控制信号，并对量子处理器输出的模拟信号进行处理获得所述任务结果；所述时钟信号发生器用于提供所述中控模块和所述数据处理模块工作的工作时钟信号。
具体实施时，时钟信号发生器、中控模块、数据处理模块的数量可以扩展，匹配更多位的量子处理器的控制需求。扩展时，各中控模块之间相互通信连接，通过时钟信号发生器确保中控模块和数据处理模块的工作时钟信号的同步，进而确保信号源输出的各种控制信号的同步。
基于同一申请构思，本申请实施例还提供一种量子控制系统，包括上所述的信号源。
基于同一申请构思，本申请实施例还提供一种量子计算机，包括上述的量子控制系统、及量子处理器；所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的控制信号执行量子运算。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
上述仅为本申请的优选实施例而已，并不对本申请起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本申请的技术方案的范围内，对本申请揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本申请的技术方案的内容，仍属于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种时钟信号发生器，其特征在于，包括：
时钟振荡器，用于输出预设频率的主时钟信号；
时钟源，用于输出频率与所述预设频率相同的参考时钟信号；
时钟分发模块，基于所述主时钟信号工作，并输出工作时钟信号；
其中，参考时钟信号用于所述时钟分发模块对所述主时钟信号进行校准。
2.如权利要求1所述的时钟信号发生器，其特征在于，所述时钟振荡器包括晶体振荡器，用于输出所述主时钟信号至所述时钟分发模块的OSCIN管脚。
3.如权利要求2所述的时钟信号发生器，其特征在于，所述时钟振荡器的控制管脚电连接所述时钟分发模块的CPOUT管脚，用于依据所述CPOUT管脚输出的电流控制信号调整所述主时钟信号。
4.如权利要求1所述的时钟信号发生器，其特征在于，还包括变压器模块，用于接收时钟源输出的单端参考时钟信号，并输出差分式的参考时钟信号至所述时钟分发模块的CLKIN1/FIN+和CLKIN1/FIN-管脚。
5.如权利要求4所述的时钟信号发生器，其特征在于，所述变压器模块包括巴伦变压器。
6.如权利要求4所述的时钟信号发生器，其特征在于，还包括ESD器件，所述ESD器件的一端电连接所述变压器模块的输入端，所述ESD器件的另一端接地。
7.如权利要求1所述的时钟信号发生器，其特征在于，还包括脉冲源，用于输出秒脉冲信号至所述时钟分发模块的SYNC管脚。
8.一种信号源，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的时钟信号发生器、中控模块及数据处理模块；
所述中控模块用于输出若干个量子计算任务的信号数据，并对各量子计算任务的任务结果进行处理；
所述数据处理模块用于依据所述信号数据输出对应的控制信号，并对量子处理器输出的模拟信号进行处理获得所述任务结果；
所述时钟信号发生器用于提供所述中控模块和所述数据处理模块工作的工作时钟信号。
9.一种量子控制系统，其特征在于，包括如权利要求8所述的信号源。
10.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求9所述的量子控制系统、及量子处理器；所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的控制信号执行量子运算。
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