量子比特控制用功能板卡、背板以及量子控制系统的制作方法

1.本发明涉及量子测控领域，尤其是涉及一种量子比特控制用功能板卡、背板、vpx机箱以及量子控制系统。


背景技术：

2.量子芯片为运行量子计算的核心部件，量子芯片上集成有多位量子比特，为了保证量子比特的正常工作，需要搭建专门的量子控制系统，在量子控制系统内设置多个量子比特控制用功能板卡为每个量子比特提供各种控制信号，例如频率控制信号、量子态控制信号。此外对于量子比特运行完量子计算的结果，也需要通过采集模块进行采集。
3.在当前量子芯片结构基础上，现有的量子比特控制用功能板卡一般是一个数据处理器件管控若干个功能器件，例如一个数据处理器件连接若干个adc(analog digital converter)或dac(digital analog convert)。但是随着技术的发展，量子芯片上的量子比特的位数提高至几百位、甚至几千上万位，对应的量子控制系统内的量子比特控制用功能板卡数量也会越来越多，信号走线也会越来越复杂。对于单个量子比特控制用功能板卡而言，需要量子比特控制用功能板卡生成对量子比特进行操控、测量和读取时所需的各种信号也越来越多，其数据吞吐量会成指数级增长，因此需要的通道数量很多，故现有的一个数据处理器件管控若干个功能器件的结构无法满足大规模量子芯片的需要。
4.因此，如何使得量子比特控制用功能板卡满足大规模量子芯片的需要是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种量子比特控制用功能板卡、背板、vpx机箱以及量子控制系统，用于使得量子比特控制用功能板卡满足大规模量子芯片的需要。
6.为了实现以上目的，本发明提出一种量子比特控制用功能板卡，包括：
7.板卡主体；
8.与门芯片，设置在所述板卡主体上，所述与门芯片具有若干个输入端，所述与门芯片的输入端用于接收触发信号，所述与门芯片的输出端与若干个数据处理器件的输入端通信连接，所述与门芯片用于使得所述触发信号同时到达所述若干个数据处理器件；
9.若干个数据处理器件，间隔设置在所述板卡主体上，所述数据处理器件用于基于所述触发信号生成工作指令；
10.若干个功能器件，设置在所述板卡主体上，与所述数据处理器件的输出端通信连接，所述功能器件用于基于所述工作指令执行对量子比控制的相应动作。
11.可选地，所述量子比特控制用功能板卡还包括通信接口，所述通信接口设置在所述板卡体上，所述通信接口与所述数据处理器件连接。
12.可选地，所述板卡主体包括pcb板，所述数据处理器件、所述与门芯片以及所述功能器件均设置在所述pcb板上。
13.可选地，所述与门芯片与所述功能器件通过在所述pcb板的顶层信号层走线连接。
14.可选地，所述与门芯片与所述数据处理器件通过在所述pcb板的顶层信号层走线连接。
15.可选地，所述数据处理器件的数量与所述与门芯片的输入端数量相等。
16.可选地，每个所述数据处理器件均与若干个所述功能器件连接。
17.可选地，所述与门芯片设置在所述板卡主体上相邻两个所述数据处理器件之间。
18.可选地，所述功能器件包括adc或dac。
19.可选地，所述数据处理器件包括fpga或mcu或mpu或dsp。
20.基于同一发明构思，本发明还提出一种背板，包括上述特征描述中任一项所述的量子比特控制用功能板卡。
21.基于同一发明构思，本发明还提出一种vpx机箱，包括上述特征描述中所述的背板。
22.基于同一发明构思，本发明还提出一种量子控制系统，包括上述特征描述中任一项所述的量子比特控制用功能板卡。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明提出一种量子比特控制用功能板卡，包括板卡主体、与门芯片、若干个数据处理器件以及若干个功能器件。所述与门芯片设置在所述板卡主体上，所述与门芯片具有若干个输入端，所述与门芯片的输入端用于接收触发信号，所述与门芯片的输出端与若干个数据处理器件的输入端通信连接，所述与门芯片用于使得所述触发信号同时到达所述若干个数据处理器件。所述若干个数据处理器件间隔设置在所述板卡主体上，所述数据处理器件用于基于所述触发信号生成工作指令。所述若干个功能器件设置在所述板卡主体上，与所述数据处理器件的输出端通信连接，所述功能器件用于基于所述工作指令执行对量子比控制的相应动作。基于以上结构，通过与门芯片连接多个数据处理器件，可以满足大规模量子芯片的需求，并且由于对于单个量子比特控制用功能板卡内的多个数据处理器件需要保证其触发是完全同步的，与门芯片的结构还可保证多个触发信号同时到达对应的数据处理器件，进而实现量子比特控制相应操作的同步进行。
25.本发明提出的背板、vpx机箱以及量子控制系统，与所述量子比特控制用功能板卡属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不做赘述。
附图说明
26.图1为本发明实施例提出的一种量子比特控制用功能板卡的结构示意图；
27.其中：100-板卡主体，200-与门芯片，300-数据处理器件，400-功能器件。
具体实施方式
28.下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描
述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
31.一般地，一个量子芯片上设有多个量子比特(也可称之为量子位)以及数据传输线，每个量子比特包括相互耦合连接的探测器和量子比特装置，其中，量子比特装置可以为利用超导约瑟夫森结和对地电容构成的人造超导量子比特，探测器可以为谐振腔。量子比特装置上设置有第一控制信号线和第二控制信号线，与量子比特装置耦合连接的探测器上设有第三控制信号线，其中，第一控制信号线用于传输对量子比特装置进行量子态信息调控的量子态调控信号，第二控制信号线用于传输对量子比特装置进行频率参数调控的频率调控信号，而第三控制信号线既用于传输对探测器进行测量读取的测量信号又用于将探测器返回的读取回传信号输出，以实现对量子比特装置状态的间接读取测量。因此，用于量子芯片中量子比特调控和测量的量子控制系统需要生成并输出三种控制信号分别提供给第一至第三控制信号线，以实现对量子芯片中量子比特的调控和测量。
32.请参考图1，本发明实施例提出一种量子比特控制用功能板卡，包括板卡主体100、与门芯片200、若干个数据处理器件300以及若干个功能器件400。所述与门芯片200设置在所述板卡主体100上，所述与门芯片200具有若干个输入端，所述与门芯片200的输入端用于接收触发信号，所述与门芯片200的输出端与若干个数据处理器件300的输入端通信连接，所述与门芯片200用于使得所述触发信号同时到达所述若干个数据处理器件300。所述若干个数据处理器件300间隔设置在所述板卡主体100上，所述数据处理器件300用于基于所述触发信号生成工作指令。所述若干个功能器件400设置在所述板卡主体100上，与所述数据处理器件300的输出端通信连接，所述功能器件400用于基于所述工作指令执行对量子比控制的相应动作。本领域技术人员应当理解的是，在本实施例中，所述功能器件的作用是生成对量子比特进行操控、测量和读取时等控制所需的各种信号。一般可为adc或dac，adc用于获取谐振腔中的信息，dac则用于生成进行量子态信息调控的量子态调控信号或生成进行频率参数调控的频率调控信号。例如，在实际应用中，在利用量子芯片进行量子计算时，需要在对应的量子比特上执行相应的操作，假设需要对量子比特进行量子态信息调控，而量子比特的调控信号精度要求很高，而且有时会需要同时对多个量子比特进行调控，因此很多时候我们需要多组dac同时执行相应动作以生成相应的调控信号，这也就需要相应的触发信号能同时触发对应的功能器件以使其生成我们需要的调控信号并输出给量子芯片中对应的量子比特，利用本实施例提出的量子比特控制用功能板卡可以有效保证发送给多组dac的触发信号同步触发其对应的数据处理器件以实现同步触发多组dac，最终提高在量子芯片上运行的量子计算的精度。
33.与现有技术不同之处在于，本发明实施例提出一种量子比特控制用功能板卡，包括板卡主体100、与门芯片200、若干个数据处理器件300以及若干个功能器件400。所述与门芯片200设置在所述板卡主体100上，所述与门芯片200具有若干个输入端，所述与门芯片200的输入端用于接收触发信号，所述与门芯片200的输出端与若干个数据处理器件300的
输入端通信连接，所述与门芯片200用于使得所述触发信号同时到达所述若干个数据处理器件300。所述若干个数据处理器件300间隔设置在所述板卡主体100上，所述数据处理器件300用于基于所述触发信号生成工作指令。所述若干个功能器件400设置在所述板卡主体100上，与所述数据处理器件300的输出端通信连接，所述功能器件400用于基于所述工作指令执行相应动作。基于以上结构，通过与门芯片200连接多个数据处理器件300，可以满足大规模量子芯片的需求，并且由于对于单个量子比特控制用功能板卡内的多个数据处理器件300需要保证其触发是完全同步的，与门芯片200的结构还可保证多个触发信号同时到达对应的数据处理器件300。
34.在本发明实施例中，每个所述数据处理器件300均需要一个触发信号，因此，为了保障每个所述数据处理器件300的触发信号均有触发信号，故所述数据处理器件300的数量与所述与门芯片200的输入端数量相等。
35.需要注意的是，所述数据处理器件300为具有数据转发与处理功能的器件，一般可选用fpga(field programmable gate array)、mcu(microcontroller unit))、mpu(microprocessor unit)或dsp(digital signal processor)等。在本实施例中，所述数据处理器件300优选为fpga，在其他实施例中还可选用其它具有类似数据处理功能的器件，在此不做限制。
36.本领域技术人员可以理解的是，所述量子比特控制用功能板卡需要具有对应的功能器件400才能实现对应的功能，例如，需要具有模数转换功能的器件来实现模数转换，需要具有数模转换功能的器件来实现数模转换。而具有模数转换功能的器件可以利用纯电路结构来实现还可利用ad芯片(也即adc)来实现，同理，具有数模转换功能的器件也可以利用纯电路结构来实现还可利用da芯片(也即dac)来实现。在本实施例中，所述功能器件400优选为adc或dac。
37.另外，在本实施例中，所述与门芯片200可根据实际需要进行选型，利用可包括但不限于hmc746、7408ttl、7409ttl、74x11、74x21、cd4081、cd4082，在此不做限制。
38.可选地，每个所述数据处理器件300均与若干个所述功能器件400连接。请参考图1，本实施例中，每个所述数据处理器件300均连接了四个功能器件400，在具体应用时可以理解为每个fpga下连接了四个ad芯片或四个da芯片。本领域技术人员应当理解的是，在其它实施例中，每个所述数据处理器件300还可连接其它数量的功能器件400，在此不做限制，可根据实际需要来进行调整。另外，与门芯片200就就近摆放在两个相邻fpga之间，以最短路径严格等长控制将高速与门芯片200的输出分发连接到两个fpga。
39.具体地，所述板卡主体100可以为pcb(printed circuit board)板，所述数据处理器件300、所述与门芯片200以及所述功能器件400均设置在所述pcb板上。
40.在本实施例中，所述与门芯片200与所述功能器件400优选通过在所述pcb板的顶层信号层走线连接，且所述与门芯片200与所述数据处理器件300通过在所述pcb板的顶层信号层走线连接。当采用顶层信号层走线时，传输线的一侧是介质，一侧是空气，等效介电常数小于中间层，传输线延时较小，这个特点决定了顶层信号层走线可以有更快的信号传输速度，因此可以利用顶层信号层布速度很快的信号，如2.5ghz或3.125ghz，布高速信号时尽量不要打孔，如果实在需要打孔，从顶层打孔换层到底层，或者从底层打孔换层到顶层信号层，也不存在过孔的短截线效应，这个特点也是内层布线所不具备的。
41.本领域技术人员应当理解的是，除了本实施例中列举的一些部件，所述量子比特控制用功能板卡还具有一些外围电路或器件，例如所述量子比特控制用功能板卡还包括通信接口，所述通信接口设置在所述板卡体上，所述通信接口与所述数据处理器件300连接。
42.基于同一发明构思，本发明实施例还提出一种背板，包括上述特征描述中任一项所述的量子比特控制用功能板卡。
43.基于同一发明构思，本发明实施例还提出一种vpx机箱，包括上述特征描述中所述的背板。
44.基于同一发明构思，本发明实施例还提出一种量子控制系统，包括上述特征描述中任一项所述的量子比特控制用功能板卡。
45.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
46.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种量子比特控制用功能板卡，其特征在于，包括：板卡主体；与门芯片，设置在所述板卡主体上，所述与门芯片具有若干个输入端，所述与门芯片的输入端用于接收触发信号，所述与门芯片的输出端与若干个数据处理器件的输入端通信连接，所述与门芯片用于使得所述触发信号同时到达所述若干个数据处理器件；若干个数据处理器件，间隔设置在所述板卡主体上，所述数据处理器件用于基于所述触发信号生成工作指令；若干个功能器件，设置在所述板卡主体上，与所述数据处理器件的输出端通信连接，所述功能器件用于基于所述工作指令执行对量子比控制的相应动作。2.如权利要求1所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，所述量子比特控制用功能板卡还包括通信接口，所述通信接口设置在所述板卡体上，所述通信接口与所述数据处理器件连接。3.如权利要求1所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，所述板卡主体包括pcb板，所述数据处理器件、所述与门芯片以及所述功能器件均设置在所述pcb板上。4.如权利要求3所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，所述与门芯片与所述功能器件通过在所述pcb板的顶层信号层走线连接。5.如权利要求3所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，所述与门芯片与所述数据处理器件通过在所述pcb板的顶层信号层走线连接。6.如权利要求1所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，所述数据处理器件的数量与所述与门芯片的输入端数量相等。7.如权利要求6所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，每个所述数据处理器件均与若干个所述功能器件连接。8.如权利要求1所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，所述与门芯片设置在所述板卡主体上相邻两个所述数据处理器件之间。9.如权利要求1所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，所述功能器件包括adc或dac。10.如权利要求1所述的量子比特控制用功能板卡，其特征在于，所述数据处理器件包括fpga或mcu或mpu或dsp。11.一种背板，其特征在于，包括权利要求1-10中任一项所述的量子比特控制用功能板卡。12.一种vpx机箱，其特征在于，包括权利要求11所述的背板。13.一种量子控制系统，其特征在于，包括权利要求1-10中任一项所述的量子比特控制用功能板卡。

技术总结
本发明公开了一种量子比特控制用功能板卡、背板、VPX机箱以及量子控制系统，所述量子比特控制用功能板卡包括板卡主体、与门芯片、若干个数据处理器件以及若干个功能器件。通过与门芯片连接多个数据处理器件，可以满足大规模量子芯片的需求，并且由于对于单个量子比特控制用功能板卡内的多个数据处理器件需要保证其触发是完全同步的，与门芯片的结构还可保证多个触发信号同时到达对应的数据处理器件。证多个触发信号同时到达对应的数据处理器件。证多个触发信号同时到达对应的数据处理器件。


技术研发人员：范良晨 李雪白
受保护的技术使用者：本源量子计算科技（合肥）股份有限公司
技术研发日：2021.12.23
技术公布日：2023/7/11