一种量子比特操控信号的产生和播放系统以及产生和播放方法与流程

1.本发明属于低温超导量子计算技术领域，尤其涉及一种量子比特操控信号的产生和播放系统以及产生和播放方法。


背景技术：

2.量子计算机通过操控量子比特的变化并读取量子的状态来实现计算操作。低温超导量子计算机的量子比特位于稀释制冷机的制冷罐内，需要在制冷罐外部的常温区域产生各种不同波形的微波脉冲信号，通过电缆注入制冷罐内的量子比特实现操控。每个量子比特都需要独立的微波操控信号。操控信号的精度直接决定了量子计算的准确度和退相干时间。因此，量子操控信号的产生和播放是低温超导量子计算机中的关键技术之一。
3.量子操控信号一般都是具有一定包络、中心频率和相位的微波脉冲信号。生成这些信号需要经过产生和播放两个步骤。产生步骤是指量子计算机操控软件根据所需的操作类型通过计算得到微波脉冲的具体形态数据。播放步骤是指形态数据交给具有微波信号播放能力的硬件电路将信号播放出。在当前技术条件下，产生步骤都需要以软件的形式运行在标准计算机上，而非特定的硬件或者专用芯片。这一方面是因为计算过程比较复杂，另一方面是因为信号内容、生成算法等都会需要不断的调整和补充。相应的，播放步骤则一定需要依靠硬件实现，才能达到播放真实微波信号的效果。由此可知，量子操控信号产生和播放系统一定是通用计算机软件加订制硬件的结构。其中，播放步骤主要解决两个问题：（1） 软件产生的信号形态数据以什么形式传递给硬件；（2）硬件用什么方法将数据转换为实际的物理波形。
4.一些量子操控信号播放装置（例如中国发明专利cn109217939a、cn115061974a）中，软件产生的是正交基带包络信号的采样序列；把采样序列完整的发送给由fpga（现场可编程门阵列）和高速dac（数模转换器）构成的波形播放电路；fpga驱动dac播放基带信号，输送到模拟混频器，与本振信号一起做正交上变频，依靠频谱搬移效应得到所需的微波脉冲，这是比较经典的操控信号产生及播放方法。
5.还有一些改进型量子操控信号播放装置，例如zurich的shfqc量子控制器，将模拟正交上变频改进为数字正交上变频。软件仍然发送正交基带包络信号给硬件；硬件电路做数字正交上变频后由高速dac播放出微波脉冲。这种方法避免了模拟正交上变频带来的畸变误差。
6.有文献提出了直接微波信号播放的方法（《超导量子器件的制备与操控》，南京大学博士论文，2019），放弃了在播放装置中做模拟或数字上变频，而改为由软件直接生成微波脉冲采样序列，交由硬件电路播放。这种方法增加了数据传输的数据量，并且需要足够高性能的dac以及配套电路，但具有最高的信号准确性。
7.上述的方法都有一个共同的缺陷：响应速度不足。指每个操控脉冲都需要计算机向播放装置发送完整的采样数据序列，导致系统不能快速切换不同的操控信号，响应速度
慢。例如，如果采用千兆以太网作为采样序列的传输接口，其峰值传输速率只有约1000mbit/s；高采样率数字序列数据量较大，例如一个脉宽1us、量化位数16bit的脉冲采样序列，在10gsps采样率下具有约10000个采样点，即20k个字节，在千兆以太网上传输需要至少20us。即系统会有至少（20-1）/20 = 95%的时间处在等待数据的状态。
8.因此，需要开发设计一种量子比特操控信号的播放方法，解决前述响应速度不足的问题。


技术实现要素：

9.本发明为解决现有技术中存在的技术问题而提供一种量子比特操控信号的产生和播放系统，在保证信号精度的基础上提升响应速度。
10.本发明为解决现有技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种量子比特操控信号的产生和播放系统包括包括安装有量子计算系统软件的计算机和信号播放装置；量子计算系统软件包括数据处理模块、数据打包模块和网络通信模块；信号播放装置为rfsoc芯片，rfsoc芯片包括arm处理器、fpga芯片和多路数模转换器，arm处理器的软件包括网络通信模块、数据解包模块和总线通信模块，arm处理器通过网络通信模块与计算机通信连接并且通过总线通信模块将数据发送给fpga芯片，fpga芯片包括总线通信模块、包络缓存模块、误差缓存模块、插值模块、求和模块、上变频模块和dac接口模块，各数模转换器与dac接口模块连接，由各数模转换器播放量子比特操控信号。
11.本发明为解决现有技术中存在的技术问题还提供了一种量子比特操控信号的产生和播放方法，包括以下步骤：步骤1，由量子操控软件获得基带包络采样数据，得到原始包络数据；步骤2，对基带包络采样数据做等间隔抽样处理，获得采样率更低的包络数据，得到抽样包络数据；步骤3，对前述低采样率的包络数据做插值处理，数据插值的采样率与步骤1中获取原始包络数据的采样率相同，得到一次插值包络数据；步骤4，将原始包络数据与一次插值包络数据逐点相减，得到一个误差序列，得到误差包络数据；步骤5，发送数据，将抽样包络数据和误差包络数据发送至播放装置；步骤6，播放装置对抽样包络数据做插值处理，插值处理方法与步骤3相同，得到二次插值包络数据；步骤7，将二次插值包络数据与误差包络数据逐点相加，得到复原基带信号包络数据；步骤8，将复原基带信号包络数据发送至数字上变频器，上变频得到量子操控信号采样数据；步骤9，将量子操控信号采样数据送入高速dac转换为模拟信号输出，播放量子比特操控信号。
12.优选地：步骤3和步骤6的插值处理中，先对包络数据进行上采样，在每个数据点后面复制若干个同值的数据点，形成更高采样率的台阶状包络数据，之后令台阶包络数据进入一个低通滤波器做平滑滤波处理；fpga芯片的插值模块的低通滤波器由多级乘加结构构
成，包括多个延迟器、多个乘法器和多个加法器，乘法器对每个延迟环节上的数据点与预设的滤波系数相乘，相乘的结果通过加法器累加得到滤波输出，滤波输出的结果为插值包络数据。
13.优选地：fpga芯片的上变频模块由数控振荡器、两个乘法器和一个加法器构成，数控振荡器输出高频正弦载波信号和高频余弦载波信号，两路信号频率相同且高频余弦载波信号的相位超前高频正弦载波信号的相位90
°
，其中一个乘法器将i路复原包络数据与高频余弦载波信号相乘，另一个乘法器将q路复原包络数据与正弦高频载波信号相乘，加法器将两个乘法器的输出信号相加得到上变频的输出。
14.优选地：数控振荡器由加法器、正弦查找表和余弦查找表构成，为加法器的输入预设的相位步进量，加法器的输出量反馈到加法输入端，与相位步进量相加，在加法器的输出端形成连续递增的相位值，正弦查找表预存一个周期的正弦波采样数据，依据输入的相位值给出相应的正弦信号瞬时值，余弦查找表预存一个周期的正弦波采样数据，依据输入的相位值给出相应的余弦信号瞬时值。
15.本发明的优点和积极效果是：本发明提供了一种结构设计合理的量子比特操控信号的产生和播放系统并提供了一种基于该系统的量子比特操控信号的产生和播放方法，通过对原始包络数据进行抽样操作，降低了需要传输的数据量，误差包络数据由于幅值很小而可以采用更少的数据位数进行表达，因此抽样包络数据与误差包络数据的总和只相当于原始包络数据的几分之一，在同样的数据传输速率之下，本发明的量子比特操作信号产生和播放的响应速度得到了显著的提升，显著改善了现有产生和播放系统响应速度慢的问题。
16.本发明还具有信号精度高的优势，虽然对原始包络数据进行了抽样和插值重建，但是同时还引入了误差包络数据，使得最终的复原包络数据相比原始包络数据基本无失真，充分保证了量子操控信号的播放精度。
17.本发明还具有适合大规模多通道应用的优势，因为提高了响应速度，所以可以让单台计算机产生更多个通道的量子操控信号而不突破系统响应延迟的最低要求。
附图说明
18.图1是本发明中量子比特操控信号产生和播放系统的硬件框图；图2是图1中计算机端软件的结构框图；图3是图1中arm处理器端软件的结构框图；图4是图1中fpga芯片的逻辑框图；图5是图4中插值模块和插值算法的实现框图；图6是图4中上变频模块的实现框图；图7是图6中数控振荡器的实现框图；图8是本发明中量子比特操控信号产生和播放方法的流程框图；图9是本发明中量子比特操控信号产生和播放方法的各步骤信号波形示意图。
具体实施方式
19.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例详细说明。
20.请参见图1，本发明的量子比特操控信号的产生和播放系统包括包括安装有量子计算系统软件的计算机和信号播放装置，即本发明中的产生和播放系统从硬件方面来看分为图示中的两大部分，采用千兆以太网作为两部分的硬件接口。
21.其中，计算机及其量子计算系统软件接收操作输入、依靠算法计算得到量子操控脉冲的包络数据，根据前述包络数据处理获得基带包络采样数据，得到原始包络数据。计算机及其量子计算系统软件还对原始包络数据执行插值处理并获取插值包络数据，计算机及其量子计算系统软件还对原始包络数据和插值包络数据计算插值并获取误差包络数据。
22.请参见图2，可以看出：量子计算系统软件包括接收输入以及进行流程控制的上层软件，还包括供上层软件调用的软件接口函数，上层软件根据输入以及预设算法计算得到量子操控脉冲的包络数据，然后调用软件接口函数。
23.软件接口函数包括数据处理模块、数据打包模块和网络通信模块，其中数据处理模块的功能是对原始包络数据进行降抽样处理、插值处理和求差处理，得到抽样包络数据和误差包络数据。数据打包模块则把抽样包络数据和误差包络数据按照固定的格式组织为数据包。因为误差包络数据的数值都很小，所以可以用较少的二进制位数来表达。网络通信模块负责通过千兆以太网接口把数据包发送给后级硬件，即发送给后方的信号播放装置。
24.降抽样处理是指对一个采样数据序列，根据预设的抽样比按照等间隔抽取一部分数据形成新的数据序列。以抽样比1:4为例，在数据序列中每4个数据取1个数据而抛弃3个数据，得到抽样后的序列输出，数据量降至原来的1/4。软件接口函数执行的降抽样处理其抽样比例能够进行设定，是可以调整的。
25.插值处理是指在数据序列的数据点之间插入新的数据点，并对数据进行平滑处理，形成更高采样率的数据序列。插值处理的一种实现方法如图5中所示。先对抽样包络数据进行上采样，即在每个数据点后面复制若干个同值的数据点，形成更高采样率的台阶状包络数据。然后，台阶包络数据进入一个低通滤波器（低通fir）做平滑滤波处理。低通滤波器由多级乘加结构构成，包括多个延迟器、多个乘法器和多个加法器，乘法器对每个延迟环节上的数据点与预设的滤波系数相乘，相乘的结果通过加法器累加得到滤波输出，滤波输出的结果为插值包络数据。
26.图5中采用了一个六阶结构直接型结构，上采样后的包络数据依次进入延迟器d1~d5，乘法器m1~m6对每个延迟环节上的数据点与预设的滤波系数a0~a5相乘，相乘的结果通过加法器a1~a5累加得到滤波输出。滤波输出的结果即为一次插值包络数据。低通滤波器的阶数，即延迟器、乘法器、加法器的级联数量，是可调整的，图5中按六阶结构进行绘制仅代表示意。软件接口函数为软件而并非硬件，故其插值处理的低通滤波器是虚拟的滤波器，延迟器d1~d5、乘法器m1~m6和加法器a1~a5在软件中进行构建，滤波系数a0~a5能够进行设定，是可以调整的。
27.求差处理是指将原始包络数据与一次插值包络数据逐点相减，得到差值序列。
28.请参见图1，可以看出：信号播放装置为rfsoc芯片，也可以称为rfsoc射频片上系统fpga芯片（简称rfsoc芯片）。结构上，rfsoc芯片包括arm处理器、fpga芯片和多路数模转换器（dac）。其中，arm处理器的主要功能是通过千兆以太网与计算机通信，接收数据并传递给fpga芯片，fpga芯片
用于对数据进行处理并对多路数模转换器进行驱动。
29.请参见图3，可以看出：arm处理器的芯片内置软件，其软件包括网络通信模块、数据解包模块和总线通信模块，arm处理器通过网络通信模块经千兆以太网与计算机通信连接，arm处理器通过总线通信模块将数据发送给fpga芯片。网络通信模块的功能是从千兆以太网接收来自量子计算系统软件的数据包，数据解包模块的功能是把网络数据包按格式拆分为抽样包络数据和误差包络数据，总线通信模块的功能是将抽样包络数据和误差包络数据通过axi总线接口写入fpga芯片，由fpga芯片开展进一步处理。
30.请参见图4，可以看出：fpga芯片包括总线通信模块、包络缓存模块、误差缓存模块、插值模块、求和模块、上变频模块和dac接口模块，各数模转换器与dac接口模块连接，由各数模转换器播放量子比特操控信号。
31.其中，总线通信模块的功能是从axi总线上获取抽样包络数据和误差包络数据，分别写入包络缓存模块和误差缓存模块。包络缓存模块的功能是存储抽样包络数据，以便这些数据可以被多次重复读取。误差缓存模块的功能是存储误差包络数据，以便这些数据可以被多次重复读取。插值模块的功能是在抽样包络数据的数据点之间插入新的数据点，并对数据进行平滑处理，形成更高采样率的二次插值包络数据。
32.插值模块的一种具体方法如图5所示，此处插值模块的算法原理与前述软件接口函数部分的插值算法相同，所不同在于：此处为fpga芯片的硬件逻辑实现，软件接口函数则是通过软件功能来实现，此处插值模块的结构、功能和运行原理参考前述对图5中技术内容的描述，不再赘述。
33.求和模块的功能是将二次插值包络数据与误差包络数据相加得到复原后的包络数据。上变频模块的功能是将求和模块输出的复原包络数据调制到高频信号上，形成所需的微波脉冲波形数据。dac接口模块的功能是将微波脉冲波形数据输送给数模转换器播放出来，实现对量子比特操控信号的播放。
34.请参见图6，可以看出：fpga芯片的上变频模块由数控振荡器、两个乘法器和一个加法器构成，数控振荡器输出高频正弦载波信号和高频余弦载波信号，两路信号频率相同且高频余弦载波信号的相位超前高频正弦载波信号的相位90
°
，其中一个乘法器将i路复原包络数据与高频余弦载波信号相乘，另一个乘法器将q路复原包络数据与正弦高频载波信号相乘，加法器将两个乘法器的输出信号相加得到上变频的输出。
35.具体地，上变频模块由数控振荡器、乘法器m7和m8、加法器a6组成。数控振荡器的功能是输出高频载波信号，包括余弦高频载波信号和正弦高频载波信号两路。余弦高频载波信号和正弦高频载波信号的频率相同，余弦高频载波信号的相位超前正弦高频载波信号90
°
。乘法器m7的功能是将i路复原包络数据与余弦高频载波信号相乘，乘法器m8的功能是将q路复原包络数据与正弦高频载波信号相乘，加法器a6的功能是将乘法器m7和m8的输出相加，得到上变频的输出。
36.请参见图7，可以看出：数控振荡器由加法器、正弦查找表和余弦查找表构成，为加法器的输入预设的相
位步进量，加法器的输出量反馈到加法输入端，与相位步进量相加，在加法器的输出端形成连续递增的相位值，正弦查找表预存一个周期的正弦波采样数据，依据输入的相位值给出相应的正弦信号瞬时值，余弦查找表预存一个周期的正弦波采样数据，依据输入的相位值给出相应的余弦信号瞬时值。
37.具体地，数控振荡器由累加器a7、正弦查找表lut1和余弦查找表lut2组成。累加器a7的输入为预设的相位步进量，累加器a7的输出量反馈到加法输入端，与相位步进量相加，在加法器输出端形成连续递增的相位值。正弦查找表lut1的功能是预存一个周期的正弦波采样数据，依据输入的相位值给出相应的正弦信号瞬时值，余弦查找表lut2的功能是预存一个周期的正弦波采样数据，依据输入的相位值给出相应的余弦信号瞬时值。
38.本发明中提供了一种基于前述系统的量子比特操控信号产生和播放方法，请参见图8，产生和播放方法包括以下步骤：步骤1，由量子操控软件获得基带包络采样数据，得到原始包络数据；步骤2，对基带包络采样数据做等间隔抽样处理，获得采样率更低的包络数据，得到抽样包络数据；步骤3，对前述低采样率的包络数据做插值处理，数据插值的采样率与步骤1中获取原始包络数据的采样率相同，得到一次插值包络数据；步骤4，将原始包络数据与一次插值包络数据逐点相减，得到一个误差序列，得到误差包络数据；步骤5，发送数据，将抽样包络数据和误差包络数据发送至播放装置；步骤6，播放装置对抽样包络数据做插值处理，插值处理方法与步骤3相同，得到二次插值包络数据；步骤7，将二次插值包络数据与误差包络数据逐点相加，得到复原基带信号包络数据；步骤8，将复原基带信号包络数据发送至数字上变频器，上变频得到量子操控信号采样数据；步骤9，将量子操控信号采样数据送入高速dac转换为模拟信号输出，播放量子比特操控信号。
39.其中，步骤1、步骤2、步骤3和步骤4在计算机侧进行，步骤6、步骤7、步骤8和步骤9在信号播放装置侧进行，步骤5表示数据在两大硬件部分之间的转移。
40.图9中给出了前述各步骤中信号的波形示意图，对各步骤的具体说明如下：图9a是原始包络数据的波形图示例。原始包络数据由量子操控系统的上层软件给出，作为系统的输入条件。原始包络数据规定了所要播放的量子操控高频信号的幅度和相位变化情况。原始包络包含i路原始包络和q路原始包络两个。i路包络和q路包络分别作为复数的实部和虚部的情况下，复数的模代表了高频信号的幅度、复数的复角代表了高频信号的相位。作为示例，图9a只画出了一个包络，并采用一个钟型曲线作为包络外形的示意。包络数据是一组特定采样率的离散数据序列，而图中为了表达方便，绘制为连续的线条。
41.图9b是原始包络数据经过降抽样后获得的抽样包络数据。因为采样率降低了，所以原先平滑的图形变成了台阶型。抽样包络数据是采样率比原始包络更低的离散数据，图中为了表达方便，仍然用连续的线条绘制。
42.图9c是抽样包络数据经过插值处理之后得到的一次插值包络数据。经过插值处理，一次插值包络数据的采样率恢复到了与原始包络数据相同，波形也比抽样包络数据更加平滑，但是与原始包络数据存在一定的误差。
43.图9d是一次插值包络数据与原始包络数据相减得到的误差包络数据，误差包络数据记录了插值包络没能复原的信息。
44.图9e是二次插值处理得到的二次插值包络数据。二次插值处理由fpga芯片中的插
值模块执行。因为插值算法相同，所以图9c和图9e的波形完全相同。
45.图9f是二次插值包络数据与误差包络数据相加后得到的复原包络数据。复原包络数据的波形与原始包络数据完全相同，即没有信息损失。
46.图9g是高频载波信号，即量子操控信号的高频部分。高频载波信号要在上变频阶段在幅度和相位上收到包络信号（包括i和和q路）的调制，形成量子操控信号采样数据。
47.图9h是高频脉冲信号，即包络信号（包括i和和q路）对高频载波信号进行正交上变频调制后的信号。该信号经过dac转换为模拟电压输出，即为所需的量子比特操控信号。
48.本发明中的量子比特操控信号产生和播放系统及产生和播放方法，具有响应速度快的优势。常见量子操控信号波形都是具有一定中心频率和平滑包络的短正弦脉冲。传统的方法依靠计算机软件计算产生波形的全部采样数据，再交由硬件电路播放，数据传输产生的延时开销导致系统响应变慢。千兆以太网作为采样序列的传输接口，其峰值传输速率只有约1000mbit/s；高采样率数字序列数据量较大，例如一个脉宽1us量化位数12bit的脉冲采样序列，i路和q路量个包络在10gsps采样率下总共具有约20000个采样点，即30k个字节，在千兆以太网上传输需要至少30us。即系统会有至少（30-1）/30 = 96.7%的时间处在等待数据的状态。或者说，系统每播放1个1us脉宽的量子操控信号，就需要等待29us。实际上，由于网络传输协议的开销，实际响应速度还会更慢。
49.按照本发明的产生及播放方法，仍然按照上述参数，如果降抽样比设为8:1，则抽样包络数据量降低到原始包络的1/8，即3.75k个字节。误差包络数据的幅值很小，可以用更少的bit位数表达，比如可以用4bit定点表达一个数值范围不超过-8到+7的误差包络数据。此时误差包络数据的数据量则只有原始包络的4bit/12bit = 1/3。这样，抽样包络数据和误差包络数据的总数据量，在此例中等于原始包络数据量的1/3+1/8 = 11/24 = 45.8%。即在同样的数据传输速率下，在本例中系统的响应速度提高了一倍以上。
50.本发明具有信号精度高的优势。虽然对原始包络数据进行了抽样和插值重建，但是同时还引入和误差包络数据，使得最终复原包络数据相比原始包络数据基本无失真，充分保证了量子操控信号的播放精度。
51.本发明具有适合大规模多通道应用的优势。因为提高了响应速度，所以可以让单台计算机产生更多个通道的量子操控信号而不突破系统响应延迟的最低要求。图1中给出的硬件电路能够具备16路dac输出，可播放多大16通道的量子比特操控信号。
52.以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。