CN220474022U - 用于离子阱的稳磁装置及量子计算设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于离子阱的稳磁装置及量子计算设备，用于离子阱的稳磁装置包括：电源转换电路、一个或多个毫安级恒流电路、一个或多个微安级恒流电路以及磁场线圈，其中：电源转换电路的输入端与电源连接，用于将电源电压转换为目标直流电压源；一个或多个毫安级恒流电路的输入端分别与电源转换电路的输出端电连接，用于输出毫安级恒定电流；一个或多个微安级恒流电路的输入端分别与一个或多个毫安级恒流电路的输出端电连接，形成多个通道，用于输出微安级恒定电流；磁场线圈的输入端与微安级恒流电路的输出端电连接，磁场线圈用于向离子阱提供囚禁离子的磁场。利用本实用新型的用于离子阱的稳磁装置能够提高输出电流的稳定精度。

Description

用于离子阱的稳磁装置及量子计算设备

技术领域

本实用新型涉及量子计算技术领域，特别涉及用于离子阱的稳磁装置及量子计算设备。

背景技术

在基于离子阱的量子计算机中，利用磁场线圈通电后产生一个均匀的磁场。在离子阱中产生均匀的磁场，有利于稳定离子在离子阱中的停留和减小离子之间的相互作用，使得离子在离子阱中保持相对静止，从而更容易进行操控和测量。

磁场线圈通过电流产生磁场，而磁场的强度和方向取决于电流的大小和方向。如果通电电流不稳定，即电流值或方向有较大的波动或变化，则产生的磁场也会相应地不稳定。因此，电流的稳定是磁场线圈产生均匀的磁场的前提条件。但是，目前的稳磁装置中稳定电流的精度无法满足离子阱对均匀磁场的要求，导致影响对离子的操控和测量。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提出了一种用于离子阱的稳磁装置，包括：电源转换电路、一个或多个毫安级恒流电路、一个或多个微安级恒流电路以及磁场线圈，其中：所述电源转换电路的输入端与电源连接，用于将电源电压转换为目标直流电压源；一个或多个所述毫安级恒流电路的输入端分别与所述电源转换电路的输出端电连接，用于输出毫安级恒定电流；一个或多个所述微安级恒流电路的输入端分别与一个或多个所述毫安级恒流电路的输出端电连接，形成多个通道，用于输出微安级恒定电流；所述磁场线圈的输入端与所述微安级恒流电路的输出端电连接，所述磁场线圈用于向离子阱提供囚禁离子的磁场。

可选地，所述毫安级恒流电路包括：第一控制模块、模数转换电路、采样电路、第一数模转换电路和电压电流转换电路，其中：所述第一控制模块分别与所述模数转换电路、所述第一数模转换电路电连接，所述采样电路的输入端与所述毫安级恒流电路的输出端电连接，所述采样电路的输出端与所述模数转换电路的输入端电连接，所述电压电流转换电路的输入端与所述第一数模转换电路输出端电连接，所述电压电流转换电路的输出端与所述毫安级恒流电路的输出端电连接；其中，所述第一控制模块根据所述采样电路的采样数据确定调节指令并通过第一数模转换电路发送至电压电流转换电路，所述电压电流转换电路根据所述调节指令调整输出电流的大小。

可选地，所述微安级恒流电路包括：比较模块、信号调理电路、驱动分流电路、误差电压采集电路、第二数模转换电路和第二控制模块，其中，所述比较模块的输入端与所述微安级恒流电路的输入端和输出端之间的采样电阻电连接，所述比较模块用于将电压信号与来自所述第二数模转换电路的设定电压值进行比较得到误差信号；所述信号调理电路的输入端与所述比较模块的输出端电连接，所述信号调理电路用于将所述误差信号进行调整；所述驱动分流电路的输入端与所述信号调理电路的输出端电连接，所述驱动分流电路的输出端与所述毫安级恒流电路的输出端电连接，所述驱动分流电路用于根据所述误差信号对所述毫安级恒流电路输出的电流信号进行校正；所述驱动分流电路的输出端通过所述误差电压采集电路与所述第二控制模块的输入端电连接，所述第二控制模块的输出端与所述第二数模转换电路的输入端电连接，所述第二数模转换电路的输出端与所述比较模块的输入端电连接，所述第二控制模块根据误差信号输出相应的控制指令至所述第二数模转换电路，以此调整设定电压值。

可选地，所述信号调理电路包括：第一带通滤波器、频率补偿器和第二带通滤波器，所述第一带通滤波器、频率补偿器和第二带通滤波器依次电连接。

可选地，所述微安级恒流电路还包括：SPI通信隔离电路，其设置在所述误差电压采集电路和所述第二控制模块之间，用于避免噪声影响所述误差电压采集电路采集信号。

可选地，所述微安级恒流电路还包括：低通滤波器，其设置在所述比较模块和所述采样电阻之间，用于去除干扰。

可选地，所述第一控制模块和所述第二控制模块能够分别与上位机电连接，所述上位机分别通过第一控制模块和所述第二控制模块调整所述第一数模转换电路和第二数模转换电路中的设定电压值。

可选地，进一步包括开关电源和电源滤波电路，所述开关电源输入标准交流电，用于将交流电转换为预设电压值的直流电源；所述电源滤波电路的输入端与所述开关电源输出端电连接，用于去除所述直流电源中的干扰。

可选地，所述第一带通滤波器用于滤除10-20khz频率的信号，所述第二带通滤波器用于滤除1-5khz频率的信号。

本实用新型还提出一种量子计算设备，包括如上所述的用于离子阱的稳磁装置。

本实用新型的用于离子阱的稳磁装置中设置有多个级别的恒流电路，且多个级别的恒流电路为串联关系，将输出电流的稳定精度控制在微安级别。与现有的稳流系统相比，本实用新型的用于离子阱的稳磁装置将精度至少提高了2个数量级，能够实现高斯级别的稳磁效果。进一步地，将电压源、电流源和多个级别的恒流电路集成在一个装置中，减小了稳磁装置的整体体积。

附图说明

下面，将结合附图对本实用新型的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的用于离子阱稳磁装置的结构示意图。

图2是根据本实用新型一个实施例的毫安级恒流电路结构示意图。

图3是根据本实用新型一个实施例的电压电流转换电路结构示意图。

图4是根据本实用新型一个实施例的微安级恒流电路结构示意图。

图5是根据本实用新型一个实施例设置多级恒流参数界面示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本实用新型一部分用来说明本实用新型的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本实用新型的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本实用新型的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本实用新型的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

图1是根据本实用新型的一个实施例用于离子阱稳磁装置的结构示意图。如图1所示，用于离子阱的稳磁装置100包括：开关电源120、电源滤波电路130、电源转换电路140、一个或多个毫安级恒流电路150、一个或多个微安级恒流电路160、输出接口170和磁场线圈(未示出)。其中，开关电源120与交流电源110电连接，用于将交流电转换为预设电压值的直流电源；电源滤波电路130的输入端与开关电源120输出端电连接，用于去除直流电源中的干扰。预设电压值能够是10V-50V任意值。比如，开关电源120可以将交流电源110传输来的220V电源转化为24V，45W的电压值的直流电。

电源转换电路140的输入端与电源滤波电路130的输出端电连接，用于将电源电压转换为目标直流电压源；一个或多个毫安级恒流电路150的输入端分别与电源转换电路140的输出端电连接，用于输出毫安级恒定电流；一个或多个微安级恒流电路160的输入端分别与一个或多个毫安级恒流电路150的输出端电连接，形成多个通道，用于输出微安级恒定电流；磁场线圈的输入端与微安级恒流电路的输出端电连接，磁场线圈用于向离子阱提供囚禁离子的磁场，并要求提供均匀的磁场。参考图1，用于离子阱的稳磁装置100集成电压源、电流源和微安级恒流模块为一体，做成二通道，匹配离子阱对磁场(一般是X、Y轴)控制需求。

电源转换电路140能够将直流电压转换成一种或多种电压源以满足后级电路所需要的电压源。离子阱在量子计算机的应用中，需要在多个位置设置多组磁场线圈，并且每组磁场线圈要求的磁场大小可能不同。因此，电源转换电路140将直流电压源转换成一种或多种电压源以满足不同的功能需求。其中，电源转换电路140能够调整电压源中波纹参数、电压值和功率中一者或多者的数值以满足不同的功能需求。利用电源转换电路140将电压源转换成多种电压源，实现了一套设备，满足不同功能需求，能够提高稳磁装置的利用率。

当多个毫安级恒流电路150分别与电源转换电路140输出端电连接时，多个毫安级恒流电路150之间为并联关系。多个毫安级恒流电路150的输出端分别与多个微安级恒流电路160的输入端电连接，形成多个通道，每个通道实现不同的功能。每个通道中的毫安级恒流电路150与微安级恒流电路160为串联关系。在每个微安级恒流电路160通过输出接口170与一对磁场线圈电连接，磁场线圈用于向离子阱提供均匀的磁场。

市场上售卖的恒流模块的稳流精度一般在1毫安，其并不能满足离子阱中磁场线圈的微安级别的超高精度要求。在本实用新型的方案中，设置多个级别的恒流电路，并且多个级别的恒流电路为串联关系，将电流的稳定精度控制在微安级别，大幅提升稳流精度，在一些实施例中可至少提高2个数量级，使得离子阱能够稳定工作。进一步地，将多个级别的恒流电路串联集成，减小了稳磁装置的整体体积。

图2是根据本实用新型的一个实施例毫安级恒流电路结构示意图。如图2所示，毫安级恒流电路150包括：第一控制模块151、模数转换电路152、采样电路153、第一数模转换电路154、电压电流转换电路155和电流输出端156。其中，第一控制模块151分别与模数转换电路152、第一数模转换电路154电连接，采样电路153的输入端与毫安级恒流电路的电流输出端156电连接，采样电路153的输出端与模数转换电路152的输入端电连接，电压电流转换电路155的输入端与第一数模转换电路154输出端电连接，电压电流转换电路155的输出端与毫安级恒流电路的电流输出端156电连接；第一控制模块151根据采样电路153的采样数据确定调节指令并通过第一数模转换电路154发送至电压电流转换电路155，电压电流转换电路155根据调节指令调整输出电流的大小。

在毫安级恒流电路150中，第一控制模块151根据模数转换电路(ADC电路)152的采样结果确定电流输出端156实际电流大小，将实际电流大小与设定标准电压进行比较，确定误差电压值；第一控制模块151将误差电压值发送至第一数模转换电路(DAC电路)154，第一数模转换电路154将误差电压值的数字信号转换为模拟信号，使其调整恒流电路的控制参数，电压电流转换电路(V-I电路)155根据模拟量的误差电压值转换为电流信号，通过电流输出端156输出，最终使恒流电路输出电流稳定在设定范围。本方案中的毫安级恒流电路采用闭环可控电流调节的方式将稳流精度保持在毫安级别，为下一级的稳流工作提供稳定的电流。

根据本实用新型的一个实施例，第一控制模块151与上位机通信连接，其能够接收来自上位机的控制指令，根据控制指令调整最终输出电流的大小。第一控制模块151可以是MCU，其型号为STM32F429，主要负责采样和给出参考点，同时负责对装置外的通信。

图3是根据本实用新型一个实施例的电压电流转换电路结构示意图。如图3所示，电压电流转换电路采用二级运放反馈和二级电流的方法将电压信号转化为电流信号。在电压电流转换电路中的采样电阻RM和RL采用恒温电路稳定参数，可避免电阻发热影响采样精度，提高电压电流转换电路的工作精度和电压电流转换电路的工作稳定性。

图4是根据本实用新型一个实施例的微安级恒流电路结构示意图。如图4所示，微安级恒流电路160包括：低通滤波器162、比较模块163、信号调理电路164、驱动分流电路165、误差电压采集电路166、第二控制模块168和第二数模转换电路169。在微安级恒流电路160的输入端和输出端之间设置有采样电阻161，其将第一恒流电路输出的电流转换为电压信号。

低通滤波器162设置在比较模块163和采样电阻161之间，用于去除干扰。比较模块163的输入端通过低通滤波器162与采样电阻161电连接，比较模块163用于将电压信号与来自第二数模转换电路169的设定电压值进行比较得到误差信号；信号调理电路164的输入端与比较模块163的输出端电连接，信号调理电路164用于将误差信号进行调整；驱动分流电路165的输入端与信号调理电路164的输出端电连接，驱动分流电路165的输出端与毫安级恒流电路的输出端电连接，驱动分流电路165用于根据误差信号对毫安级恒流电路输出的电流信号进行校正。

驱动分流电路165的输出端通过误差电压采集电路166与第二控制模块168的输入端电连接，第二控制模块168的输出端与第二数模转换电路169的输入端电连接，第二数模转换电路169的输出端与比较模块163的输入端电连接，第二控制模块168根据误差信号输出相应的控制指令至第二数模转换电路169，以此调整设定电压值。

毫安级恒流电路输出端输出的电流大小可以是2A，2A的电流的一路分支经过采样电阻161至输出负载，可以为磁场线圈供电。而采样电阻161的电压信号经过低通滤波器162输出至比较模块163，比较模块163将电压信号与设定电压值进行比较后输出误差信号。设定电压信号可以由上位机配置后发送至第二控制模块168，第二控制模块168将设定电压值传递给第二数模转换电路(DAC转换电路)169，进而第二数模转换电路169输出设定电压值。其中，与第二数模转换电路169电连接的备用参考点设置模块，能够将默认设定电压值发送至第二数模转换电路169，以此保持输出电流的稳定。误差信号经过信号调理电路164和驱动分流电路165以此旁滤掉毫安级恒流电路中的噪声，达到微安级别的稳流精度。

误差电压采集电路166可以是ADC转换电路，误差电压采集电路166将采集到的误差信号发送至第二控制模块168。第二控制模块168可以是MCU，其型号为STM32F429。第二控制模块168根据误差信号输出相应的控制指令至第二数模转换电路169以此改变设定电压值。在微安级恒流电路160中，采用采样监测和分流稳定的方式将输出电流的稳流精度控制在微安级别，有利于离子阱对离子的操控和测量。

根据本实用新型的一个实施例，微安级恒流电路还包括：SPI通信隔离电路167，其设置在误差电压采集电路166和第二控制模块168之间，第二控制模块168通过SPI通信隔离电路167与第二数模转换电路169电连接。通过SPI通信隔离电路167既能够避免噪声影响误差电压采集电路166采集信号，又可以避免噪声干扰第二控制模块168将设定电压参数命令发送至第二数模转换电路169。

如图4所示，信号调理电路164包括：第一带通滤波器1641、频率补偿器1642和第二带通滤波器1643，第一带通滤波器1641、频率补偿器1642和第二带通滤波器1643依次电连接。因离子阱外部环境和供电原因，会耦合进50HZ和其他高频干扰，所以要经过滤波去除部分干扰，同时通过DAC电路输出反向分流波形来让磁场线圈(亥姆霍兹线圈)中的电流波动变得更小。因此，利用第一带通滤波器1641、频率补偿器1642和第二带通滤波器1643，能够在误差信号中去除滤波干扰和调整频率等参数，避免其他因素产生干扰。根据本实用新型的一个实施例中，第一带通滤波器能够滤除10-20khz频率的信号，第二带通滤波器能够滤除1-5khz频率的信号，优选地，第一带通滤波器能够滤除17khz频率的信号，第二带通滤波器能够滤除3khz频率的信号。

图5是根据本实用新型一个实施例设置多级恒流参数界面示意图。用于离子阱稳磁装置中的第一控制模块和第二控制模块能够分别与上位机电连接，通过第一控制模块和第二控制模块调整第一数模转换电路和第二数模转换电路中的设定电压值。上位机分别与第一控制模块和所述第二控制模块之间能够利用TCP/IP的通信协议进行通信。如图5所示，分别与毫安级恒流电路和微安级恒流电路电连接，在上位机的显示器上，能够显示经过多级恒流电路输出的电流在磁场线圈上的磁场解析曲线。利用上位机，能够修改多个通道中的磁场参数和每个级别恒流电路的设置参数，实现离子阱计算机的自动调整，减少人工干预。

本实用新型还提出一种量子计算设备，其包括上述的用于离子阱的稳磁装置。例如，可将本实用新型的稳磁装置安装至离子阱计算机的离子阱装置中，其中磁场线圈(例如采用亥姆霍兹线圈)围绕真空腔设置，形成稳定可控的磁场，辅助实现对真空腔内囚禁离子的操控。

综上所述，本实用新型的用于离子阱的稳磁装置中设置有多个级别的恒流电路，且多个级别的恒流电路为串联关系，将输出电流的稳定精度控制在微安级别。与现有的稳流系统相比，本实用新型的用于离子阱的稳磁装置可大幅提升系统的稳流精度，有助于实现高斯级别的稳磁效果。进一步地，将电压源、电流源和多个级别的恒流电路整体集成，能够减小用于离子阱稳磁装置的整体体积，实现设备小型化，便携性好。另外，本实用新型的用于离子阱的稳磁装置还可以与上位机通信连接，能够实现离子阱计算机的自动调整，减少人工干预。

上述实施例仅供说明本实用新型之用，而并非是对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本实用新型公开的范畴。

Claims (11)

1.一种用于离子阱的稳磁装置，其特征在于，包括：电源转换电路、一个或多个毫安级恒流电路、一个或多个微安级恒流电路以及磁场线圈，其中：

所述电源转换电路的输入端与电源连接，用于将电源电压转换为目标直流电压源；

一个或多个所述毫安级恒流电路的输入端分别与所述电源转换电路的输出端电连接，用于输出毫安级恒定电流；

一个或多个所述微安级恒流电路的输入端分别与一个或多个所述毫安级恒流电路的输出端电连接，形成多个通道，用于输出微安级恒定电流；

所述磁场线圈的输入端与所述微安级恒流电路的输出端电连接，所述磁场线圈用于向离子阱提供囚禁离子的磁场。

2.根据权利要求1所述的稳磁装置，其特征在于，所述毫安级恒流电路包括：第一控制模块、模数转换电路、采样电路、第一数模转换电路和电压电流转换电路，其中：

所述第一控制模块分别与所述模数转换电路、所述第一数模转换电路电连接，所述采样电路的输入端与所述毫安级恒流电路的输出端电连接，所述采样电路的输出端与所述模数转换电路的输入端电连接，所述电压电流转换电路的输入端与所述第一数模转换电路输出端电连接，所述电压电流转换电路的输出端与所述毫安级恒流电路的输出端电连接；

其中，所述第一控制模块根据所述采样电路的采样数据确定调节指令并通过第一数模转换电路发送至电压电流转换电路，所述电压电流转换电路根据所述调节指令调整输出电流的大小。

3.根据权利要求1所述的稳磁装置，其特征在于，所述微安级恒流电路包括：比较模块、信号调理电路、驱动分流电路、误差电压采集电路、第二数模转换电路和第二控制模块，其中，

所述比较模块的输入端与所述微安级恒流电路的输入端和输出端之间的采样电阻电连接，所述比较模块用于将电压信号与来自所述第二数模转换电路的设定电压值进行比较得到误差信号；

所述信号调理电路的输入端与所述比较模块的输出端电连接，所述信号调理电路用于将所述误差信号进行调整；

所述驱动分流电路的输入端与所述信号调理电路的输出端电连接，所述驱动分流电路的输出端与所述毫安级恒流电路的输出端电连接，所述驱动分流电路用于根据所述误差信号对所述毫安级恒流电路输出的电流信号进行校正；

所述驱动分流电路的输出端通过所述误差电压采集电路与所述第二控制模块的输入端电连接，所述第二控制模块的输出端与所述第二数模转换电路的输入端电连接，所述第二数模转换电路的输出端与所述比较模块的输入端电连接，所述第二控制模块根据误差信号输出相应的控制指令至所述第二数模转换电路，以此调整设定电压值。

4.根据权利要求3所述的稳磁装置，其特征在于，所述信号调理电路包括：第一带通滤波器、频率补偿器和第二带通滤波器，所述第一带通滤波器、频率补偿器和第二带通滤波器依次电连接。

5.根据权利要求3所述的稳磁装置，其特征在于，所述微安级恒流电路还包括：SPI通信隔离电路，其设置在所述误差电压采集电路和所述第二控制模块之间，用于避免噪声影响所述误差电压采集电路采集信号。

6.根据权利要求3所述的稳磁装置，其特征在于，所述微安级恒流电路还包括：低通滤波器，其设置在所述比较模块和所述采样电阻之间，用于去除干扰。

7.根据权利要求2所述的稳磁装置，其特征在于，所述第一控制模块与上位机电连接，所述上位机通过第一控制模块调整所述第一数模转换电路中的设定电压值。

8.根据权利要求3所述的稳磁装置，其特征在于，所述第二控制模块与上位机电连接，所述上位机通过所述第二控制模块调整所述第二数模转换电路中的设定电压值。

9.根据权利要求1所述的稳磁装置，其特征在于，进一步包括开关电源和电源滤波电路，所述开关电源输入标准交流电，用于将交流电转换为预设电压值的直流电源；

所述电源滤波电路的输入端与所述开关电源输出端电连接，用于去除所述直流电源中的干扰。

10.根据权利要求4所述的稳磁装置，其特征在于，所述第一带通滤波器用于滤除10-20khz频率的信号，所述第二带通滤波器用于滤除1-5khz频率的信号。

11.一种量子计算设备，其特征在于，包括权利要求1-10中任一项所述的用于离子阱的稳磁装置。