CN105281886A - 冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法，在上位机上通过上位机指令设置射频信号和数字信号参数；将上位机指令变换为机器指令并传输给时序控制FPGA；时序控制FPGA执行机器指令并通过转换模块和射频合成模块进行数字信号和射频信号的输出。本发明还公开了冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生装置，包括上位机，还包括时序控制模块、射频合成模块和转换模块，本发明实现了对实验所需时序控制信号的直观描述；编制的上位机指令可以反复使用，避免了重复工作，且便于根据实验结果不断完善；可方便地更改射频信号的频率、相位、幅度等参数；可精确控制多路控制信号协同工作；扩展性强。

Description

冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法及装置

技术领域

本发明涉及冷原子(离子)量子信息实验领域，具体涉及冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生装置，还涉及冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法，适合于冷原子(离子)量子信息实验中时序控制信号的产生，也适合于光学频标、量子光学等领域。

背景技术

随着半导体技术日新月异的发展以及科学研究的不断进步，信息技术的强大需求牵引必将使计算机特征尺寸快速逼近物理极限，经典计算机面临运算速度及功耗等诸多瓶颈！在这个过程中，各种量子效应会显现出来并最终成为微尺度下微观粒子的普遍行为，最终导致经典计算机的失效。随着物理学的快速进展和对计算机本质的深刻洞悉，结合了量子力学、信息学和计算机科学的新兴交叉学科——量子计算科学应运而生，现在已经成为世界各国竞相争夺的科技制高点之一。

量子计算利用量子体系的一些独特性质（相干叠加、量子纠缠等）对计算、编码、信息处理过程给予了新的诠释，以开发新的更为有效的信息处理功能。基于量子相干性的量子计算机拥有內禀的并行计算和处理能力，在计算速度和存储能力方面的潜力是经典计算机无法比拟的！一些经典计算机不能完成的工作（如破解现有银行的安全体系）在量子计算机上能很快的完成，因此能广泛应用于高性能计算、情报分析、信息安全等诸多领域。此外，基于量子计算的量子仿真技术，可以更加有效的解决经典计算机和经典算法难于解决或无法解决的量子力学基本问题，将有助于人们进一步认识强关联多体系统的物性，进而成为产生新材料或新发明的基本研究手段。

目前美国、欧洲、日本等发达国家都在资助量子计算的关键技术研究，其中涉及的量子计算的物理实现方式包括离子阱、量子点、线性光学、超导等。尽管目前还不能判定最终的量子计算机会采用其中哪种方案，但科学家普遍认为能够实现量子计算机的物理体系应满足Divincenzo判据。

离子阱体系是最早从理论上证明能够进行量子计算的物理体系，从原理上满足所有的Divincenzo判据，并且大部分判据已被实验证实。由于离子阱体系有相干时间长、易于操控等优势，是发展最为迅速的量子计算物理体系之一，也被认为是量子计算物理实现最有希望的方案之一。

在一个典型的用原子（离子）研究量子计算的装置上，用户需要对量子比特实施操作。这些操作最终归结为创建一系列的特定幅度、相位、频率以及持续时间的激光或微波脉冲。实验中反复遇到的一个问题是，如何在尽可能使用少的资源及引入少的错误的前提下，把在用户的通用个人计算机里直观描述的预定脉冲序列转化为操作量子比特所需的实际时序控制脉冲信号。

解决这个问题的方法可以分成两个部分。一是采用适当方法来描述所需的时序控制信号；二是设计一个装置，即脉冲时序发生器，把前一步所描述的时序控制信号实际产生出来。

发明内容

本发明的目的在于提供了冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法。可以直观、简洁地实现脉冲信号描述，从而自动生成操纵量子比特和量子逻辑门所需的各种时序控制信号。

本发明的目的还在于提供了冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生装置，用户可以通过预先设置各种实验（比如多普勒冷却、边带冷却、Zeeman谱扫描以及Rabi谱扫描等）所需时序控制信号的参数，就可在实验中自动产生相应的时序控制信号。避免了繁重的重复工作，节省了大量的人力和时间。同时，通过实验的实际效果，可以不断完善相应的信号参数值，有利于不断提高实验精度。

冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法，包括以下步骤：

步骤1、在上位机上，通过上位机指令设置量子信息实验所需射频信号参数，射频信号参数包括射频信号的频率值、射频信号的幅值、射频信号的初始相位值和射频信号的持续时间；通过上位机指令设置量子信息实验所需的数字信号参数的高低电平信号及数字信号的持续时间，

上位机指令包括：等待指令wait，用于设定射频信号的持续时间和数字信号的持续时间；波形频率指令frequency，用于设定射频信号的频率值；波形幅值指令dac，用于设置射频信号的幅值；波形初始相位指令phase，用于射频信号的初始相位值；数字输出指令do，用于设定数字信号的高低电平信号，

步骤2、在上位机上，通过Labview软件将表征步骤1中的各个射频信号和数字信号参数的上位机指令变换为对应的时序控制FPGA的机器指令，并将机器指令通过以太网接口电路传输给时序控制FPGA，

步骤3、时序控制FPGA接收到机器指令后，先存入内存，然后逐条取出执行。

若机器指令对应的为射频信号的波形频率指令frequency，则时序控制FPGA通过电平转换电路将射频信号的频率值传输到射频合成FPGA，射频合成FPGA接收到射频信号的频率值后设置直接数字合成器使得直接数字合成器输出对应频率值的射频信号，直接数字合成器输出的射频信号依次通过可变增益放大器、功率放大器和滤波器后输出；

若机器指令对应的为波形幅值指令dac，则时序控制FPGA通过电平转换电路将射频信号的幅值传输到射频合成FPGA，射频合成FPGA根据射频信号的幅值控制数模转换器的输出，进而通过数模转换器控制可变增益放大器的增益；

若机器指令对应的为波形初始相位指令phase，则时序控制FPGA通过电平转换电路将射频信号的初始相位值传输到射频合成FPGA，射频合成FPGA接收到射频信号的初始相位值后设置直接数字合成器使得直接数字合成器输出对应初始相位值的射频信号，直接数字合成器输出的射频信号依次通过可变增益放大器、功率放大器和滤波器后输出；

若机器指令对应的等待指令wait，则时序控制FPGA在等待时间内维持射频信号以当前射频信号的频率值、射频信号的幅值、射频信号的初始相位值进行持续输出；时序控制FPGA维持数字信号在等待时间内以当前高低电平信号持续输出。

若机器指令对应的为设置实验所需的数字输出指令do，则时序控制FPGA（3）按照数字信号的高低电平信号通过电平转换电路输出数字信号。

步骤4、滤波器输出的射频信号和数字信号输出电路输出的数字信号加载到AOM上。AOM依据输入的射频信号和数字信号对从激光器传过来的激光进行调制。射频信号的幅度控制激光的功率，射频信号的相位控制激光的相位，射频信号的频率则对激光进行移频操作；数字信号则控制激光的通断。经过AOM调制之后的激光入射至离子阱中与冷离子相互作用。

冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生装置，包括上位机，还包括时序控制模块、射频合成模块和转换模块，

时序控制模块包括以太网接口电路、时序控制FPGA和内存，

转换模块包括电平转换电路、数字信号输出电路和外部触发输入电路，

射频合成模块包括射频合成FPGA、直接数字合成器、数模转换器、可变增益放大器、功率放大器和滤波器，

上位机通过以太网接口电路与时序控制FPGA连接，时序控制FPGA与内存（4）连接；时序控制FPGA与电平转换电路连接，电平转换电路分别与射频合成FPGA、数字信号输出电路、外部触发输入电路连接，射频合成FPGA分别与直接数字合成器和数模转换器连接，可变增益放大器分别与直接数字合成器、数模转换器和功率放大器连接，功率放大器与滤波器连接。

如上所述的射频合成模块数目为2个或2个以上。

本发明与现有技术相比，有如下有益效果：

1、实现了对实验所需时序控制信号的直观描述；

2、编制的上位机指令可以反复使用，避免了重复工作，且便于根据实验结果不断完善；

3、可方便地更改射频信号的频率、相位、幅度等参数；

4、控制速度快，不同参数的射频信号切换可在几十纳秒内完成；

5、可产生精确的相位相关射频信号；

6、可精确控制多路控制信号协同工作；

7、扩展性强，可以很容易地增加射频信号路数；

8、装置按功能模块化，板间采用LVDS总线连接，电路干扰少，出现故障能迅速定位。

附图说明

图1为冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生装置原理示意图；

其中：1-上位机，2-以太网接口电路，3-时序控制FPGA（FieldProgrammableGateArray，FPGA），4-内存，5-电平转换电路，6-数字信号输出电路，7-外部触发输入电路，8-射频合成FPGA，9-直接数字合成器（DDS，DirectDigitalSynthesizer），10-数模转换器（DAC，DigitaltoAnalogConverter），11-可变增益放大器（VGA，VariableGainAmplifier），12-功率放大器，13-滤波器。A-射频合成模块；B-时序控制模块；C-转接模块。

图2为物理系统的一种实例；

其中：14-激光器、15-AOM（声光调制器，Acousto-opticalModulators）、16-离子阱。

所述的激光器14包括泵浦源和钛宝石腔、初稳腔和高细度超稳腔；所述的声光调制器15包括声光调制晶体和驱动源；所述的离子阱系统16包括电磁囚禁的冷离子、超高真空腔、真空泵、射频源、磁场线圈、激光光路和离子荧光采集装置。

图3为冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法流程示意图；

图4为实验所需时序控制信号波形图示例；

图5产生图4所示控制信号的指令集。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

如图2所示，冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法，包括以下步骤：

步骤1、在上位机上，通过上位机指令设置量子信息实验所需射频信号参数，射频信号参数包括射频信号的频率值、射频信号的幅值、射频信号的初始相位值和射频信号的持续时间；通过上位机指令设置量子信息实验所需的数字信号参数的高低电平信号及数字信号的持续时间。

上位机指令包括：等待指令wait，用于设定射频信号的持续时间和数字信号的持续时间；波形频率指令frequency，用于设定射频信号的频率值；波形幅值指令dac，用于设置射频信号的幅值；波形初始相位指令phase，用于射频信号的初始相位值；数字输出指令do，用于设定数字信号的高低电平信号。

步骤2、在上位机上，通过Labview软件将表征步骤1中的各个射频信号和数字信号参数的上位机指令变换为对应的时序控制FPGA3的机器指令，并将机器指令通过以太网接口电路2传输给时序控制FPGA3。

步骤3、时序控制FPGA3接收到机器指令后，先存入内存4，然后逐条取出执行。

若机器指令对应的为射频信号的波形频率指令frequency，则时序控制FPGA3通过电平转换电路5将射频信号的频率值传输到射频合成FPGA8，射频合成FPGA8接收到射频信号的频率值后设置直接数字合成器9使得直接数字合成器9输出对应频率值的射频信号，直接数字合成器9输出的射频信号依次通过可变增益放大器11、功率放大器12和滤波器13后输出；

若机器指令对应的为波形幅值指令dac，则时序控制FPGA3通过电平转换电路5将射频信号的幅值传输到射频合成FPGA8，射频合成FPGA8根据射频信号的幅值控制数模转换器10的输出，进而通过数模转换器10控制可变增益放大器11的增益；

若机器指令对应的为波形初始相位指令phase，则时序控制FPGA3通过电平转换电路5将射频信号的初始相位值传输到射频合成FPGA8，射频合成FPGA8接收到射频信号的初始相位值后设置直接数字合成器9使得直接数字合成器9输出对应初始相位值的射频信号，直接数字合成器9输出的射频信号依次通过可变增益放大器11、功率放大器12和滤波器13后输出；

若机器指令对应的等待指令wait，则时序控制FPGA3在等待时间内维持射频信号以当前射频信号的频率值、射频信号的幅值、射频信号的初始相位值进行持续输出；时序控制FPGA3维持数字信号在等待时间内以当前高低电平信号持续输出。

若机器指令对应的为设置实验所需的数字输出指令do，则时序控制FPGA3按照数字信号的高低电平信号通过电平转换电路5输出数字信号。

步骤4、滤波器13输出的射频信号和数字信号输出电路6输出的数字信号加载到AOM15上。AOM15依据输入的射频信号和数字信号对从激光器14传过来的激光进行调制。射频信号的幅度控制激光的功率，射频信号的相位控制激光的相位，射频信号的频率则对激光进行移频操作；数字信号则控制激光的通断。经过AOM15调制之后的激光入射至离子阱16中与冷离子相互作用。在不同幅度和相位的激光脉冲作用下实现交换操作和CNOT门操作。

如图1所示，冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生装置包括时序控制模块、转接模块、射频合成模块及上位机1，

时序控制模块B包括：以太网接口电路2，时序控制FPGA3，内存4。

转接模块C包括：电平转换电路5，数字信号输出电路6，外部触发输入电路7；

射频合成模块A包括：射频合成FPGA8，直接数字合成器9，数模转换器10，可变增益放大器11，功率放大器12，滤波器13。

其中：

1、上位机

上位机1包括普通PC机、Windows操作系统、LabView软件。上位机1通过以太网接口电路2和时序控制模块的时序控制FPGA2相连。

上位机1利用LabView软件通过上位机指令设置实验所需的射频信号参数和数字信号参数，并把表征射频信号参数和数字信号参数的上位机指令转为时序控制FPGA2的机器指令。另外，上位机1还把机器指令通过以太网接口电路2传输给时序控制模块FPGA2。

2、时序控制模块

时序控制模块包括以太网接口电路2、时序控制FPGA3和内存4。内存4和以太网接口电路2都与时序控制FPGA3相连；以太网接口电路2和上位机1相连，时序控制FPGA3还与电平转换电路5相连。

2.1、以太网接口电路2

以太网接口电路2实现和上位机1的网络通信，采用以太网芯片DP83843实现。

2.2、时序控制FPGA3

时序控制FPGA3是整个系统的控制核心，时序控制FPGA3用于接收上位机1发过来的机器指令并存入内存4，然后依次执行这些机器指令，进而依次通过电平转换电路5和数字信号输出电路6产生数字信号以及把射频信号的频率值、射频信号的幅值、射频信号的初始相位值发给射频合成模块的射频合成FPGA8。时序控制FPGA3可采用Altera公司的CycloneEP1C12，该芯片具有12000个逻辑单元，可以实现复杂的电路功能。

时序控制FPGA3的固件由VHDL硬件描述语言实现。相应的机器指令包括：等待指令wait，用于设定射频信号的持续时间和数字信号的持续时间；波形频率指令frequency，用于设定射频信号的频率值；波形幅值指令dac，用于设置射频信号的幅值；波形初始相位指令phase，用于射频信号的初始相位值；数字输出指令do，用于设定数字信号的高低电平信号。

2.3、内存4

内存4用以存储机器指令，采用CYC7C1386BSRAM芯片实现，该芯片容量为512K×36，可以存储较多指令。

3、转接模块

转接模块包括电平转换电路5、数字信号输出电路6和外部触发输入电路7。电平转换电路5分别与数字信号输出电路6以及外部触发输入电路7相连，电平转换电路5还分别与时序控制FPGA3、射频合成FPGA8相连，数字信号输出电路6则和物理系统的AOM15相连。

转接模块实现时序控制模块和多个射频合成模块的联接。通过寻址的方式，一个时序控制模块最多可以控制16个射频合成模块。

3.1、电平转换电路5

电平转换电路5由芯片DS90LV047A和DS90LV048A实现，前者把数字信号（CMOS/TTL信号）转换为低电压差分信号（LVDS，Low-VoltageDifferentialSignaling），后者则把差分信号转换为数字信号。把时序控制模块、射频合成模块以及转接模块都单独在一块电路板上实现，在各电路板间通信采用LVDS信号，能有效排除噪声干扰。

3.2、数字信号输出电路6

数字信号输出电路6由排针连接器实现，数字信号输出电路6把时序控制FPGA3通过电平转换电路5传过来的数字信号传输到物理系统上。

3.3、外部触发输入电路7

外部触发输入电路7也由排针连接器实现，外部触发输入电路7把外部触发信号通过电平转换电路5输入到时序控制FPGA3，实现指令执行和外部事件的同步。

4、射频合成模块。

每个射频合成模块均包括射频合成FPGA8、直接数字合成器9、数模转换器10、可变增益放大器11、功率放大器12、滤波器13。射频合成FPGA8和直接数字合成器9的控制端口相连，射频合成FPGA8还与数模转换器10的输入端口相连，直接数字合成器9的射频输出端口与可变增益放大器11的输入端口相连，数模转换器10的输出端口则与可变增益放大器11的控制端口相连，可变增益放大器11的输出端口与功率放大器12的输入端口相连，功率放大器12的输出端口与低通滤波器13的输入端口相连，低通滤波器13的输出端口与物理系统相连。

4.1、射频合成FPGA8

射频合成FPGA8接收时序控制模块3发过来的射频信号参数和数字信号参数，射频信号参数包括射频信号的频率值、射频信号的幅值、射频信号的初始相位值和射频信号的持续时间。

若接收是射频信号的频率值，则射频合成FPGA8设置直接数字合成器9使得直接数字合成器9输出对应频率的射频信号；

若接收是射频信号的射频信号的初始相位值，则射频合成FPGA8设置直接数字合成器9使得直接数字合成器9输出对应初始相位值的射频信号；

若接收的是射频信号的幅值，则射频合成FPGA8根据射频信号的幅值控制数模转换器10的输出，进而控制可变增益放大器11的增益；

射频合成FPGA8可采用Altera公司的CycloneEP2C5T144C6，该芯片拥有4608个逻辑单元，能满足本系统要求。射频合成FPGA的固件也用硬件描述语言开发实现，固件功能包括设置射频信号频率、设置射频信号相位、设置射频信号幅度等。

4.2、直接数字合成器9

直接数字合成器9实现射频射频信号的产生。为产生满足量子信息实验所需的高频率（最高达400MHz）且频率、相位和幅度能实时切换的射频信号，本发明的解决方案是，选用ANALOGDEVICES公司的AD9910芯片，该DDS芯片的采样时钟频率高达1GSPS，最高400MHZ模拟输出，内置14位DAC，可以方便地对射频信号的频率、相位和幅度进行控制。

4.3、数模转换器10

数模转换器10把从射频合成FPGA8传过来的数字信号转换为模拟信号，该模拟信号进而用于控制可变增益放大器11的增益。数模转换器采用ANALOGDEVICES公司的AD9744芯片实现。

4.4、可变增益放大器11

可变增益放大器11用以实现更大范围的射频信号的幅度控制，采用ANALOGDEVICES公司的AD8367芯片实现。

4.5、功率放大器12

功率放大器12用以增大射频信号的输出功率，采用ERA-3SM+芯片实现。

4.6、滤波器13

滤波器13实现对射频信号的滤波，采用SALF-325芯片实现。

本文中所描述的具体实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生方法，包括以下步骤：

步骤1、在上位机上，通过上位机指令设置量子信息实验所需射频信号参数，射频信号参数包括射频信号的频率值、射频信号的幅值、射频信号的初始相位值和射频信号的持续时间；通过上位机指令设置量子信息实验所需的数字信号参数的高低电平信号及数字信号的持续时间，

上位机指令包括：等待指令wait，用于设定射频信号的持续时间和数字信号的持续时间；波形频率指令frequency，用于设定射频信号的频率值；波形幅值指令dac，用于设置射频信号的幅值；波形初始相位指令phase，用于射频信号的初始相位值；数字输出指令do，用于设定数字信号的高低电平信号，

步骤2、在上位机上，通过Labview软件将表征步骤1中的各个射频信号和数字信号参数的上位机指令变换为对应的时序控制FPGA（3）的机器指令，并将机器指令通过以太网接口电路（2）传输给时序控制FPGA（3），

步骤3、时序控制FPGA（3）接收到机器指令后，先存入内存（4），然后逐条取出执行，

若机器指令对应的为射频信号的波形频率指令frequency，则时序控制FPGA（3）通过电平转换电路（5）将射频信号的频率值传输到射频合成FPGA（8），射频合成FPGA（8）接收到射频信号的频率值后设置直接数字合成器（9）使得直接数字合成器（9）输出对应频率值的射频信号，直接数字合成器（9）输出的射频信号依次通过可变增益放大器（11）、功率放大器（12）和滤波器（13）后输出；

若机器指令对应的为波形幅值指令dac，则时序控制FPGA（3）通过电平转换电路（5）将射频信号的幅值传输到射频合成FPGA（8），射频合成FPGA（8）根据射频信号的幅值控制数模转换器（10）的输出，进而通过数模转换器（10）控制可变增益放大器（11）的增益；

若机器指令对应的为波形初始相位指令phase，则时序控制FPGA（3）通过电平转换电路（5）将射频信号的初始相位值传输到射频合成FPGA（8），射频合成FPGA（8）接收到射频信号的初始相位值后设置直接数字合成器（9）使得直接数字合成器（9）输出对应初始相位值的射频信号，直接数字合成器（9）输出的射频信号依次通过可变增益放大器（11）、功率放大器（12）和滤波器（13）后输出；

若机器指令对应的等待指令wait，则时序控制FPGA（3）在等待时间内维持射频信号以当前射频信号的频率值、射频信号的幅值、射频信号的初始相位值进行持续输出；时序控制FPGA（3）维持数字信号在等待时间内以当前高低电平信号持续输出，

若机器指令对应的为设置实验所需的数字输出指令do，则时序控制FPGA（3）按照数字信号的高低电平信号通过电平转换电路（5）输出数字信号，

步骤4、滤波器（13）输出的射频信号和数字信号输出电路（6）输出的数字信号加载到AOM（15）上，AOM（15）依据输入的射频信号和数字信号对从激光器（14）传过来的激光进行调制，射频信号的幅度控制激光的功率，射频信号的相位控制激光的相位，射频信号的频率则对激光进行移频操作；数字信号则控制激光的通断，经过AOM（15）调制之后的激光入射至离子阱（16）中与冷离子相互作用。

2.冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生装置，包括上位机（1），其特征在于，还包括时序控制模块（B）、射频合成模块（A）和转换模块（C），

时序控制模块（B）包括以太网接口电路（2）、时序控制FPGA（3）和内存（4），

转换模块（C）包括电平转换电路（5）、数字信号输出电路（6）和外部触发输入电路（7），

射频合成模块（A）包括射频合成FPGA（8）、直接数字合成器（9）、数模转换器（10）、可变增益放大器（11）、功率放大器（12）和滤波器（13），

上位机（1）通过以太网接口电路（2）与时序控制FPGA（3）连接，时序控制FPGA（3）与内存（4）连接；时序控制FPGA（3）与电平转换电路（5）连接，电平转换电路（5）分别与射频合成FPGA（8）、数字信号输出电路（6）、外部触发输入电路（7）连接，射频合成FPGA（8）分别与直接数字合成器（9）和数模转换器（10）连接，可变增益放大器（11）分别与直接数字合成器（9）、数模转换器（10）和功率放大器（12）连接，功率放大器（12）与滤波器（13）连接。

3.根据权利要求2所述的冷离子量子信息处理器的时序控制信号产生装置，其特征在于，所述的射频合成模块（A）数目为2个或2个以上。