量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法与流程

本发明涉及一种量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法。

背景技术：

1、在当前超导量子测控系统当中，用户通过独立的上位机电脑通过千兆网口交换机与量子测控系统进行交互，通过上位机电脑向量子测控系统当中的任意波形发生器传输所需发射的任意波形，量子测控系统中的量子分析仪将采集到的信号送给上位机电脑进行分析处理进而得到量子比特当前的状态。一个典型的例子，假设任意波形发生器中的数模转换器(dac，digital to analog converter)芯片和量子分析仪中的模数转换器(adc，analog to digital converter)芯片采样率都是2gsa/s，那么发射100ns波形需要传输200个点的数据，采集5us波形需要传输10000个点的数据。

2、在超导量子计算的比特参数标定阶段和真实执行量子计算算法的时候需要发射各种形式的脉冲波形，可能是一个时间较长的特殊波形也可能是很多个短脉冲波形，同时每组实验都需要对比特的状态进行波形采集和数据分析，一些简单基础的量子计算实验比如对腔频的扫描，能谱的扫描等都需要发射不同条件的脉冲波形和相应的采集射频信号进而将采集的信号上送给上位机电脑进行数据分析才能完成对腔频和能谱的扫描。

技术实现思路

1、本发明的发明人发现，在超导量子测控过程中，由于量子测控系统与上位机电脑间巨大的数据传输量，导致耗时较长，使得这种方式通信的效率较低。现有技术也有一些解决方案被提出，例如采用背板或光口交换机来连接系统内的电脑主机模块、任意波形发生器模块和量子分析仪(数据采集模块)，这些方案可以将数据的传输效率提升10到100倍，但是，与千兆网口交换机相比，背板的子板承载、高速信号传输和电源传输等功能使得背板层数、厚度、通孔数、可靠性要求、频率和高速信号传输质量等方面要求很高，光口用到的光模块使用条件较为苛刻，硬件成本高并且传输效率仍会遇到上位机电脑计算和存储速度的瓶颈，所以此类解决方案的技术难度大大增加，成本也大大增加，严重依赖硬件，不利于量子比特测控拓展。

2、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种量子测控系统、量子计算机、系统及网络和通信方法。

3、第一方面，本发明实施例提供一种量子测控系统，包括：至少一个任意波形发生器和至少一个量子分析仪，其中，所述任意波形发生器，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据所述波形控制参数生成所需的任意波的数据，将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片以便对量子比特进行操控；和/或

4、所述量子分析仪，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的所述射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取所述数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的所述振幅和相位的数据，传送给所述上位机。

5、在一个实施例中，所述任意波形发生器包括：第一可编程逻辑器件和所述第一可编辑程器件电连接的数模转换器；

6、所述第一可编程逻辑器件包括存储器，所述存储器内存储有预设周期的波形数据；

7、所述第一可编程逻辑器件用于按照预设的采样频率，对存储预设周期的波形数据进行采样得到采样点的垂直分辨率数据，根据所述波形控制参数对所述采样点的垂直分辨率数据进行计算处理，得到所需的任意波的数据，并发送给所述数模转换器；

8、所述数模转换器，用于将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并输出。

9、在一个实施例中，所需的任意波数据为高斯调制的正弦波；

10、所述第一可编程逻辑器件包括存储器，所述存储器存储有预设周期的正弦波数据和高斯波数据；

11、所述第一可编程逻辑器件用于根据输入的波形控制参数，对每个采样时刻所选取的正弦波数据和高斯波数据分别进行计算，并将计算结果相乘得到高斯调制正弦波的数据，将所述高斯调制正弦波的振幅信息传送给所述数模转换器。

12、在一个实施例中，所述量子分析仪包括：第二可编程逻辑器件和与所述第二可编程逻辑器件电连接的模数转换器；

13、所述模数转换器，具体用于采集每次对量子芯片中量子比特进行状态监测得到的射频模拟信号，并对所述射频模拟信号进行模数转换，得到对应的数字信号并输出；

14、所述第二可编程逻辑器件，用于对所述模数转换器输出的数字信号，提取其中包含比特信息的预设数量的数据点进行快速傅里叶变换，得到对应的频谱数据，从所述频谱数据中确定所述数据点对应的频率点，并根据所述频率点，提取所述频率点对应的振幅和相位的数据，将提取的所述振幅和相位的数据传送给所述上位机。

15、在一个实施例中，所述任意波形发生器还包括：第一网口，所述第一网口与所述第一可编程逻辑器件电连接，并用于与所述量子测控系统外部的交换机连接，从所述交换机接收所述波形控制参数并输出至所述第一可编程逻辑器件；

16、所述量子分析仪还包括：第二网口，所述第二网口与所述第二可编程逻辑器件电连接，并用于与所述量子测控系统外部的交换机连接，从所述第二可编程逻辑器件接收所述振幅和相位的数据，通过所述交换机传送至所述上位机。

17、在一个实施例中，所述任意波形发生器和所述量子分析仪分别布设于不同的板卡上；或者

18、所述任意波形发生器和所述量子分析仪布设于同一板卡上。

19、在一个实施例中，所述任意波形发生器和所述量子分析仪布设于同一板卡上，且所述第一可编程逻辑器件和第二可编程逻辑器件集成于同一现场可编程门阵列中。

20、第二方面，本发明实施例提供一种量子计算机，包括如前述的量子测控系统和量子芯片。

21、第三方面，本发明实施例提供一种量子计算系统，包括：上位机、量子测控系统以及量子芯片；所述上位机和所述量子测控系统通信连接；其中：

22、所述上位机，用于发送波形控制参数至所述量子测控系统，以及从所述量子测控系统中获取振幅和相位的数据，并根据所述振幅和相位的数据，分析所述量子芯片中量子比特处于预设量子态的概率；

23、所述量子测控系统，包括：任意波形发生器和量子分析仪，其中：所述任意波形发生器，用于接收上位机传送过来的波形控制参数，根据所述波形控制参数生成所需的任意波的数据，将所述任意波数据进行数模转换，生成对应的模拟信号并发射至量子芯片；和/或所述量子分析仪，用于采集量子芯片的射频模拟信号，对采集的所述射频模拟信号进行模数转换得到对应的数字信号后，提取所述数字信号对应的频谱中预设频率点的振幅和相位的数据，并将提取的所述振幅和相位的数据，传送给所述上位机。

24、在一个实施例中，上述量子计算系统，还包括：

25、交换机，所述交换机分别与所述上位机和所述量子测控系统通信连接。

26、第四方面，本发明实施例提供一种量子通信网络，所述量子通信网络中包含至少一个如前述的量子计算系统。

27、第五个方面，本发明实施例提供了一种如前述量子计算系统进行量子通信的方法。

28、本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

29、本发明实施例提供的上述量子测控系统，实现在实现了在不增加硬件成本基础上，利用任意波形发生器板卡和量子分析仪执行分布式的边缘计算，将波形的生成操作和对采集到的波形进行分析处理的操作都在靠近超导量子比特的一侧(任意波形发生器和量子分析仪侧)完成，极大地减少了量子测控系统与上位机之间的数据交互，提高了量子测控的效率，同时降低了对上位机性能的要求，利用量子测控系统实现了对量子比特测控的加速功能。

30、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

31、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。