一种背板、背板系统及应用其的量子计算机控制系统的制作方法

1.本技术属于量子计算技术领域，特别涉及一种高集成度的背板、背板系统及应用其的量子计算机控制系统。


背景技术：

2.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。
3.量子芯片作为量子计算机的核心部件，为了实现各种量子计算任务的需求，需要配套设置一个量子计算机控制系统。而量子芯片上的量子比特位数在迅速增加，其中，每个量子比特都需要施加多个信号进行调控和读取，因此需要量子计算机控制系统提供非常多的信号通道用于调控和读取。可想而知，当量子芯片上的量子比特位数提高至几百位、甚至几千万位时，量子计算机控制系统内需要提供的信号通道数量也对应增加，走线更加复杂，系统的体积更加庞大。
4.目前，基于背板的设备应用越来越广泛，背板是一种支撑其他电路板、器件和器件之间的相互连接，并为所支撑的器件提供电源和数据信号的电路板或框架。因此，背板的主要任务是携带功能板卡并将功率分配给各功能板卡，以便实现电气连接和信号传输。因此，将实现量子比特调控和读取的功能模块设计为各功能板卡并集成到背板上，可能是实现量子计算机控制系统的集成和扩展的较佳方案。然而由于量子比特的叠加和纠缠状态是极其脆弱的，用于其的调控和读取信号需要具有足够高的精确度，由此对需要用于传输量子比特调控和读取信号的背板的信号传输保真度的要求较高。目前，并没有合适的用于量子计算机控制系统的背板。
5.需要说明的是，公开于本技术背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术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。


技术实现要素：

6.本技术的实施例提供了一种背板、背板系统及应用其的量子计算机控制系统，所述背板能够满足量子比特调控和读取的信号保真度要求，可实现用于量子比特调控和读取的各功能模块集成到背板上，有效提高量子计算机控制系统的集成度和易扩展性。
7.为达到上述目的，本技术所提供的实施例是通过以下技术方案实现的：
8.本技术第一方面提供一种背板，包括一块印制电路板以及设置在所述印制电路板上的至少一个电源连接器和多个功能板卡连接器；一个所述电源连接器对应多个所述功能板卡连接器，每个所述电源连接器通过所述印制电路板上布设的电源线连接对应的多个所述功能板卡连接器；多个所述功能板卡连接器之间通过所述印制电路板上布设的信号线路
通信连接；所述印制电路板上设有数字地和模拟地分割区，在数字地和模拟地分割区上跨接第一隔断器件，并将数字地和模拟地通过第二隔断器件接入大地。
9.如上所述的背板，其中，优选的是，所述第一隔断器件或所述第二隔断器件采用电容、电感、磁珠、0欧姆电阻、tvs(transient voltage suppressor)管中的一种或多种组合。
10.如上所述的背板，其中，优选的是，所述第一隔断器件采用磁珠。
11.如上所述的背板，其中，优选的是，所述第二隔断器件采用电容。
12.如上所述的背板，其中，优选的是，所有所述功能板卡连接器为高速连接器。
13.如上所述的背板，其中，优选的是，设置于所述印制电路板中央位置的所述功能板卡连接器到其他多个所述功能板卡连接器的信号线路等长。
14.如上所述的背板，其中，优选的是，还包括多个稳压模块，所述稳压模块设置在位于所述电源连接器和各所述功能板卡连接器之间的电源线上，所述稳压模块的数量与所述功能板卡连接器的数量相等。
15.如上所述的背板，其中，优选的是，还包括多个导向销，所述导向销固定装配在所述印制电路板上，所述导向销用于为插接到所述电源连接器上的电源板卡和插接到所述功能板卡连接器上的各功能板卡提供插拔导向及辅助固定。
16.如上所述的背板，其中，优选的是，部分所述导向销上设有限位部，每个所述导向销上的限位部在所述印制电路板上的安装方向各不相同。
17.如上所述的背板，其中，优选的是，还包括加强筋，所述加强筋设置在所述印制电路板的一面，所有所述电源连接器和所述功能板卡连接器设置在所述印制电路板的另一面。
18.如上所述的背板，其中，优选的是，还包括散热控制模块，所述散热控制模块设置在所述印制电路板上。
19.如上所述的背板，其中，优选的是，还包括接地模块，所述接地模块设置在所述印制电路板上，通过所述接地模块将所述电源连接器接入大地。
20.如上所述的背板，其中，优选的是，还包括专用地接线柱，所述专用地接线柱设置在所述印制电路板上，所述专用地接线柱用于连接采用所述背板的设备的供电系统的专用地，其中，所述专用地为将所述供电系统中的某一点经接地体与大地作金属连接的地。
21.本技术第二方面提供一种背板系统，包括：包括如上任一项所述的背板、至少一个电源板卡和多个功能板卡，所有所述电源板卡插接在所述背板的所述电源连接器上，所有所述功能板卡插接在所述背板的所述功能板卡连接器上。
22.本技术第三方面提供一种量子计算机控制系统，包括如上所述的背板系统。
23.与现有技术相比，本技术的背板在一块印制电路板上设置有至少一个用于插接电源板卡的电源连接器和多个用于插接各种功能板卡的功能板卡连接器，其中所述功能板卡是实现量子比特调控和/或读取的功能模块的集成板卡；每个所述电源连接器通过所述印制电路板上布设的电源线连接对应的多个所述功能板卡连接器，为插接在这些所述功能板卡连接器上的各功能板卡提供工作电压，同时利用一个所述电源连接器对应局部多个所述功能板卡连接器，每个所述电源连接器上插接的电源板卡能够输出不同功率的供电电压，可以满足不同功能板卡对不同电源功率的供电需求；多个所述功能板卡连接器之间通过所述印制电路板上布设的信号线路通信连接，可以满足不同功能板卡之间的信号交互需求；
所述印制电路板上设有数字地和模拟地分割区，在数字地和模拟地分割区上跨接第一隔断器件，并将数字地和模拟地通过第二隔断器件接入大地，即所述印制电路板上的数字地和模拟地通过所述第一隔断器件连接，同时所述数字地和模拟地通过所述第二隔断器件与大地进行隔离连接，可有效避免模拟、数字之间内部互相干扰，也能够减弱甚至避免所述背板上的信号受到交流电的工频干扰以及外部噪声的干扰，以及能够避免直流电的开关噪声干扰和磁场耦合干扰，保证了所述背板能够满足量子比特调控和读取的信号传输保真度要求。
附图说明
24.图1是一示例性实施例提供的背板结构示意图；
25.图2是一示例性实施例提供的包括稳压模块的背板结构示意图；
26.图3是一示例性实施例提供的包含导向销的背板结构示意图；
27.图4是图3中设有限位部的导向销的结构示意图；
28.图5是一示例性实施例提供的包含加强筋的背板侧面结构示意图；
29.图6是一示例性实施例提供的包含散热控制模块的背板结构示意图；
30.图7是一示例性实施例提供的包含专用地接线柱的背板结构示意图。
31.附图标记说明：1-背板，2-印制电路板，3-电源连接器，4-功能板卡连接器，5-第一隔断器件，6-第二隔断器件，7-信号线路，8-电源线，9-直流地，10-数字地，11-模拟地，12-交流地，13-稳压模块，14-导向销，15-限位部，16-加强筋，17-散热控制模块，18-专用地接线柱。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。
33.量子芯片是量子计算的计算执行单元，由量子比特组成，为保证量子比特的运行和运行结果的数据，需要给量子比特提供运行调控信号和运行结果读取信号，对应的，在量子芯片上需要设置量子比特的运行控制信号线，例如xy线、z线；以及用于读取量子比特量子态信息读取的量子比特读取信号线。同时，为实现量子计算的进行，需要通过设置在量子芯片外部的量子计算机控制系统分别为运行控制信号线提供调控信号，为量子比特读取信号线的一端提供读取信号(又叫测量信号)，并收集量子比特读取信号线的另一端反馈的读取反馈信号。
34.在当前量子芯片飞速集成发展的阶段，量子计算机控制系统是量子计算机不可或缺的组成部分，能使量子芯片最大程度发挥性能优势。随着量子芯片中量子比特位数的迅速增加，用于量子芯片操控的量子计算机控制系统的高集成度、可扩展和小型化是亟待解决的问题。
35.当前基于背板的设备应用越来越广泛，借鉴于现有的基于背板的设备架构，将实现量子比特调控和读取的功能模块设计为各功能板卡并集成到背板上，可能是实现量子计算机控制系统的集成和扩展的较佳方案。然而由于量子比特的叠加和纠缠状态是极其脆弱的，用于量子比特的调控和读取信号需要具有足够高的精确度，由此对用于传输量子比特调控和读取信号的背板的信号传输保真度提出了更高的要求。
36.请参考图1，图1是本技术一实施例提供的一种背板，包括一块印制电路板2以及设置在所述印制电路板2上的至少一个电源连接器3和多个功能板卡连接器4。一个所述电源连接器3对应多个所述功能板卡连接器4，每个所述电源连接器3通过所述印制电路板2上布设的电源线7连接对应的多个所述功能板卡连接器4。多个所述功能板卡连接器4之间通过所述印制电路板2上布设的信号线路8通信连接。所述印制电路板2上设有数字地10和模拟地11分割区，在数字地10和模拟地11分割区上跨接第一隔断器件5，并将数字地10和模拟地11通过第二隔断器件6接入大地。
37.本技术实施例中提出的所述背板1在一块印制电路板2上设置有至少一个用于插接电源板卡的电源连接器3和多个用于插接各种功能板卡的功能板卡连接器4。其中，所述功能板卡是实现量子比特调控和/或读取的功能模块的集成板卡。每个所述电源连接器3通过所述印制电路板2上布设的电源线7连接对应的多个所述功能板卡连接器4，为插接在这些所述功能板卡连接器4上的各功能板卡提供工作电压。同时利用一个所述电源连接器3对应局部多个所述功能板卡连接器4，每个所述电源连接器3上插接的电源板卡能够输出不同功率的供电电压，可以满足不同功能板卡对不同电源功率的供电需求。多个所述功能板卡连接器4之间通过所述印制电路板2上布设的信号线路8通信连接，可以满足不同功能板卡之间的信号交互需求。所述印制电路板2上设有数字地10和模拟地11分割区，在数字地10和模拟地11分割区上跨接第一隔断器件5，可有效避免模拟、数字之间内部互相干扰。并将数字地10和模拟地11通过第二隔断器件6接入大地，即所述印制电路板2上的数字地10和模拟地11通过所述第一隔断器件5连接。同时所述数字地10和模拟地11通过所述第二隔断器件6与大地进行隔离连接。从而有效避免所述背板上的信号不受交流电的工频干扰以及外部噪声的干扰，以及避免直流电的开关噪声干扰和磁场耦合干扰，保证了所述背板能够满足量子比特调控和读取的信号传输保真度要求。
38.需要说明的是，在本技术实施例的所述背板1中，所述印制电路板2上设有交流地12、直流地9、信号地、大地和回流路径地，且所述交流地12、直流地9、信号地、大地和回流路径地在所述印制电路板2上严格物理分割。比如涉及到模拟地11的，在空间上与数字电和交流电保持一定距离，并且采用多点接地的方式。其中，所述交流地12是交流供电电源的地。所述直流地9是直流供电电源的地。所述信号地包括数字地10和模拟地11，所述数字地10是各种数字量信号的零电位。所述模拟地11是各种模拟信号的零电位。所述回流路径地是直流回流路径的地，即直流供电电源的负极。所述大地能够吸收所有电荷，始终维持稳定，是最终的地参考点，因此大地是所述背板的参考0电位。所述交流地12、直流地9、信号地和回流路径地最终均连接至大地。
39.其中，所述数字地10和所述模拟地11是两个独立的地分割区，所述数字地10和所述模拟地11也属于同一网络，均走的是所述直流回流路径的地。若将所述数字地10和所述模拟地11分割区直接相连到所述直流回流路径的地时将会导致互相干扰。因此采用所述第
一隔断器件5进行连接，通过所述第一隔断器件5隔离干扰。
40.需要注意的是，由于所述背板需要发送精度较高的信号，所述直流回流路径的地和大地需要做分割处理，并且将采用所述背板的设备的壳体单独通过多股线缆采用接地桩接地。大地通常是用作保护、释放静电以及给信号提供稳定的参考电位平面。电流的形成都是需要回路的，没有回路可以存在电势差，但没有电流。对于交流电，火线l(live wire)是能量源，零线n(neutral wire)是回流路径，回路是在零火线中形成，零线是由发电机或变压器二次侧中性点(n)引出的线路，与相线(l)构成回路。当任何一个金属导线靠近交流电的零火线回路产生磁场耦合时，该金属导线都会带有交流电的频率噪声。因此，对于为设备供电的3孔ac220v供电线，即便将中间的地线不接，该线在零火线回路中也会被耦合产生对应的工频噪声，也即大地中会存在交流电的工频噪声。因此不能将所述直流回流路径的地与大地直接短接，因此采用所述第二隔断器件6进行连接，以阻断工频干扰。
41.由此通过所述背板1的所述印制电路板2上的各种地的物理分割以及数字地10和模拟地11在空间上的分割。有效避免了模拟、数字之间内部互相干扰，同时也减弱甚至避免了所述背板上的信号受到交流电的工频干扰以及外部噪声的干扰，以及避免直流电的开关噪声干扰和磁场耦合干扰，保证了所述背板1能够满足量子比特调控和读取的信号传输保真度要求。
42.需要注意的是，在图1中所述电源连接器3的数量为两个，所述功能板卡连接器4的数量为三个。其中一个所述电源连接器为一个所述功能板卡连接器供电，另一个所述电源连接器为剩余两个所述功能板卡连接器供电。在实际应用时，所述电源连接器3和所述功能板卡连接器4的数量可根据需要设置，在此不做限制。所述印制电路板2中的所述电源线7、所述信号线路8、所述直流地9、数字地10、模拟地11、交流地12的分割区仅为示意简图。并且所述第一隔离器件5和所述第二隔离器件6的实际使用数量可根据需要设置。图1仅是为了便于本领域技术人员更好理解本技术技术方案所做的示意简图，不能视为对本技术的任何限制。
43.作为本技术实施例的一种具体实施方式，所述第一隔断器件5或所述第二隔断器件6采用电容、电感、磁珠、0欧姆电阻、tvs管中的一种或多种组合。
44.优选的是，所述第一隔断器件5采用磁珠，磁珠的等效电路相当于带阻限波器。所述第二隔断器件6采用电容。优选采用超高耐压值的陶瓷电容，在所述背板中具有一定的静电防护功能。
45.作为本技术实施例的一种具体实施方式，所有所述功能板卡连接器4为高速连接器。优选的是，所有所述功能板卡连接器4可以采用具有屏蔽式高密度的且适用于vpx总线系统的高速差分连接器，可支持高达10gb/s的数据速率，用于高速传输量子比特的调控和读取信号。并且所述功能板卡连接器4采用sma(subminiature version a)接头，所有sma接头接地，有效提高了所述功能板卡连接器4中信号通道的隔离度。
46.参见图1所示，作为本技术实施例的一种具体实施方式，设置于所述印制电路板2中央位置的所述功能板卡连接器4到其他多个所述功能板卡连接器4的信号线路8等长。
47.需要说明的是，为了充分发挥所述背板提供的高速通信链路优势，将其中一个所述功能板卡连接器作为剩余其他所述功能板卡连接器的对外数据交互的端口。并且为了便于所述印制电路板2上的布线，将设置于所述印制电路板2中央位置的所述功能板卡连接器
作为对外数据交互的端口，剩余其他所述功能板卡连接器以该功能板卡连接器为中心分布设置。同时为了确保多个所述功能板卡连接器之间需要实现时钟同步和/或信号触发同步的功能，将这些所述功能板卡连接器到作为对外数据交互端口的所述功能板卡连接器的信号线路8长度设置为相等，从而在硬件设计上实现信号在信号线路8中的传输延时相等。
48.参见图2所示，作为本技术实施例的一种具体实施方式，还包括多个稳压模块13，所述稳压模块13设置在位于所述电源连接器3和各所述功能板卡连接器4之间的电源线7上。所述稳压模块13的数量与所述功能板卡连接器4的数量相等。利用所述稳压模块13可以为每个所述功能板卡连接器4的供电端口对各功能板卡的供电电源输入起到稳压及均流的作用，从而保证各功能板卡的信号传输高速稳定性。
49.参见图3所示，作为本技术实施例的一种具体实施方式，还包括多个导向销14，所述导向销14固定装配在所述印制电路板2上。所述导向销14用于为插接到所述电源连接器3上的电源板卡和插接到所述功能板卡连接器4上的各功能板卡提供插拔导向及辅助固定。
50.需要说明的是，所述背板1上的所述电源连接器3和所述功能板卡连接器4属于一种精密连接器件。需要使用类似于导向销14的辅助导向器件进行粗定位导向，利用所述导向销14先于所述电源连接器3或所述功能板卡连机器与电源板卡或功能板卡连接互连，可有效避免因结构错位而导致所述电源连接器3或所述功能板卡连接器4损坏。所述导向销14可以设置在每个所述电源连接器3或每个所述功能板卡连接器4的上端和/或下端。考虑到所述电源连接器3或所述功能板卡连接器4存在长度较长的情况，所述导向销14也可以穿插设置在每个所述电源连接器3或每个所述功能板卡连接器4上。
51.优选的是，为了进一步防止多个不同所述电源板卡在所有所述电源连接器3上发生误插以及多个不同所述功能板卡在所有所述功能板卡连接器4上发生误插。将与每个所述电源连接器3和每个所述功能板卡连接器4对应的一个所述导向销14上设有限位部15。参见图4所示，每个所述导向销14上的限位部15在所述印制电路板2上的安装方向各不相同。
52.参见图5所示，作为本技术实施例的一种具体实施方式，还包括加强筋16。所述加强筋16设置在所述印制电路板2的一面，所有所述电源连接器3和所述功能板卡连接器4设置在所述印制电路板2的另一面。
53.需要说明的是，所述加强筋16的数量根据实际应用需要设置。由于所述背板1是在一块所述印制电路板2上设置了多个所述电源连接器3和多个所述功能板卡连接器4，且在所述电源连接器3或所述功能板卡连接器4上插拔板卡需要高达200n的插拔力，如此大的插拔力对所述印制电路板2的强度要求较高。因此可以在所述印制电路板2上设置加强筋16以增强其强度，以避免插拔板卡时造成所述背板变形而导致板卡在连接器上难以插接到位。另外，将所述加强筋16设置在所述印制电路板2的一面，比如设置在所述印制电路板2的背面，可便于实现所述印制电路板2的正面布线最短化，有利于提高所述功能板卡连接器4的信号传输可靠性和时效性。此外，还可以有效提高所述印制电路板2的正面的使用面积，可以布设更多的功能元器件，为所述背板的功能集成和扩展设计提供便利。
54.参见图6所示，作为本技术实施例的一种具体实施方式，为了便于对所述背板及插接在其上的各板卡进行快速散热，确保所述背板上传输的信号具备较高的时效性及可靠性，在所述背板上设有散热控制模块17，所述散热控制模块17设置在所述印制电路板2上。所述散热控制模块17的数量根据实际应用需要设置。所述散热控制模块17可以通过电源线
7连接所述电源连接器3，通过所述电源连接器3为其供电，也可以连接一个所述功能板卡连接器4，由插接在所述功能板卡连接器4上的功能板卡对所述散热控制模块17实现控制。所述散热控制模块17用于连接设置于所述背板外部的散热组件并控制所述散热组件的开启与关闭，以利用所述散热组件为所述背板及插接在其上的各板卡散热冷却。
55.参见图7所示，作为本技术实施例的一种具体实施方式，由于量子计算机控制系统中具有高精度信号测量和高精度激励源的设备。现有的市电地(即大地)因存在工频噪声的干扰而较难以保证系统信号的高保真度，因此需要人为设置一个专用于所述量子计算机控制系统的供电系统用专用地。所述专用地具体为将所述供电系统中的某一点经接地体与大地作金属连接的地。为了便于连接所述专用地，所述背板上设有专用地接线柱18，所述专用地接线柱18设置在所述印制电路板2上，所述专用地接线柱18的数量设置为3个，所述专用地接线柱18用于连接采用所述背板的设备的供电系统用专用地。
56.基于同一发明构思，本技术的一个实施例提供了一种背板系统，包括：包括如上任一项所述的背板、至少一个电源板卡和多个功能板卡。所有所述电源板卡插接在所述背板1的所述电源连接器3上，所有所述功能板卡插接在所述背板的所述功能板卡连接器4上。作为具体示例，所述电源板卡包括但不限于ac-dc板卡、dc-dc板卡，所述功能板卡包括但不限于awg(arbitrary waveform generator)板卡、da(digital-to-analog convert)板卡、adda(analog-to-digital convert/digital-to-analog convert)板卡、daq(data acquisition)板卡。
57.基于同一发明构思，本技术的一个实施例提供了一种量子计算机控制系统，包括如上所述的背板系统。
58.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
59.上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
60.在本说明书一个或多个实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
61.应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如
果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
62.以上依据图式所示的实施例详细说明了本技术的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本技术的较佳实施例，但本技术不以图面所示限定实施范围，凡是依照本技术的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本技术的保护范围内。