冷離子量子信息處理器的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冷原子(離子)量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及冷離子量子信息處理器的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生裝置，還涉及冷離子量子信息處理器的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生方法，適合于冷原子(離子)量子信息實(shí)驗(yàn)中時(shí)序控制信號(hào)的產(chǎn)生，也適合于光學(xué)頻標(biāo)、量子光學(xué)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體技術(shù)日新月異的發(fā)展以及科學(xué)研究的不斷進(jìn)步，信息技術(shù)的強(qiáng)大需求牽引必將使計(jì)算機(jī)特征尺寸快速逼近物理極限，經(jīng)典計(jì)算機(jī)面臨運(yùn)算速度及功耗等諸多瓶頸！在這個(gè)過(guò)程中，各種量子效應(yīng)會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)并最終成為微尺度下微觀粒子的普遍行為，最終導(dǎo)致經(jīng)典計(jì)算機(jī)的失效。隨著物理學(xué)的快速進(jìn)展和對(duì)計(jì)算機(jī)本質(zhì)的深刻洞悉，結(jié)合了量子力學(xué)、信息學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的新興交叉學(xué)科一一量子計(jì)算科學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的科技制高點(diǎn)之一。
[0003]量子計(jì)算利用量子體系的一些獨(dú)特性質(zhì)(相干疊加、量子糾纏等)對(duì)計(jì)算、編碼、信息處理過(guò)程給予了新的詮釋，以開(kāi)發(fā)新的更為有效的信息處理功能?；诹孔酉喔尚缘牧孔佑?jì)算機(jī)擁有內(nèi)稟的并行計(jì)算和處理能力，在計(jì)算速度和存儲(chǔ)能力方面的潛力是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的！ 一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能完成的工作(如破解現(xiàn)有銀行的安全體系)在量子計(jì)算機(jī)上能很快的完成，因此能廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算、情報(bào)分析、信息安全等諸多領(lǐng)域。此夕卜，基于量子計(jì)算的量子仿真技術(shù)，可以更加有效的解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)和經(jīng)典算法難于解決或無(wú)法解決的量子力學(xué)基本問(wèn)題，將有助于人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)的物性，進(jìn)而成為產(chǎn)生新材料或新發(fā)明的基本研究手段。
[0004]目前美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都在資助量子計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)研究，其中涉及的量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)方式包括離子阱、量子點(diǎn)、線性光學(xué)、超導(dǎo)等。盡管目前還不能判定最終的量子計(jì)算機(jī)會(huì)采用其中哪種方案，但科學(xué)家普遍認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的物理體系應(yīng)滿足Divincenzo判據(jù)。
[0005]離子阱體系是最早從理論上證明能夠進(jìn)行量子計(jì)算的物理體系，從原理上滿足所有的Divincenzo判據(jù)，并且大部分判據(jù)已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。由于離子阱體系有相干時(shí)間長(zhǎng)、易于操控等優(yōu)勢(shì)，是發(fā)展最為迅速的量子計(jì)算物理體系之一，也被認(rèn)為是量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)最有希望的方案之一。
[0006]在一個(gè)典型的用原子(離子)研究量子計(jì)算的裝置上，用戶需要對(duì)量子比特實(shí)施操作。這些操作最終歸結(jié)為創(chuàng)建一系列的特定幅度、相位、頻率以及持續(xù)時(shí)間的激光或微波脈沖。實(shí)驗(yàn)中反復(fù)遇到的一個(gè)問(wèn)題是，如何在盡可能使用少的資源及引入少的錯(cuò)誤的前提下，把在用戶的通用個(gè)人計(jì)算機(jī)里直觀描述的預(yù)定脈沖序列轉(zhuǎn)化為操作量子比特所需的實(shí)際時(shí)序控制脈沖信號(hào)。
[0007]解決這個(gè)問(wèn)題的方法可以分成兩個(gè)部分。一是采用適當(dāng)方法來(lái)描述所需的時(shí)序控制信號(hào)；二是設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，即脈沖時(shí)序發(fā)生器，把前一步所描述的時(shí)序控制信號(hào)實(shí)際產(chǎn)生出來(lái)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供了冷離子量子信息處理器的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生方法?？梢灾庇^、簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)描述，從而自動(dòng)生成操縱量子比特和量子邏輯門所需的各種時(shí)序控制信號(hào)。
[0009]本發(fā)明的目的還在于提供了冷離子量子信息處理器的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生裝置，用戶可以通過(guò)預(yù)先設(shè)置各種實(shí)驗(yàn)(比如多普勒冷卻、邊帶冷卻、Zeeman譜掃描以及Rabi譜掃描等)所需時(shí)序控制信號(hào)的參數(shù)，就可在實(shí)驗(yàn)中自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)。避免了繁重的重復(fù)工作，節(jié)省了大量的人力和時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際效果，可以不斷完善相應(yīng)的信號(hào)參數(shù)值，有利于不斷提高實(shí)驗(yàn)精度。
[0010]冷離子量子信息處理器的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生方法，包括以下步驟:
步驟1、在上位機(jī)上，通過(guò)上位機(jī)指令設(shè)置量子信息實(shí)驗(yàn)所需射頻信號(hào)參數(shù)，射頻信號(hào)參數(shù)包括射頻信號(hào)的頻率值、射頻信號(hào)的幅值、射頻信號(hào)的初始相位值和射頻信號(hào)的持續(xù)時(shí)間；通過(guò)上位機(jī)指令設(shè)置量子信息實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)字信號(hào)參數(shù)的高低電平信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，
上位機(jī)指令包括:等待指令wait，用于設(shè)定射頻信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和數(shù)字信號(hào)的持續(xù)時(shí)間；波形頻率指令frequency，用于設(shè)定射頻信號(hào)的頻率值；波形幅值指令dac，用于設(shè)置射頻信號(hào)的幅值；波形初始相位指令Phase，用于射頻信號(hào)的初始相位值；數(shù)字輸出指令do，用于設(shè)定數(shù)字信號(hào)的高低電平信號(hào)，
步驟2、在上位機(jī)上，通過(guò)Labview軟件將表征步驟1中的各個(gè)射頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)參數(shù)的上位機(jī)指令變換為對(duì)應(yīng)的時(shí)序控制FPGA的機(jī)器指令，并將機(jī)器指令通過(guò)以太網(wǎng)接口電路傳輸給時(shí)序控制FPGA，
步驟3、時(shí)序控制FPGA接收到機(jī)器指令后，先存入內(nèi)存，然后逐條取出執(zhí)行。
[0011]若機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的為射頻信號(hào)的波形頻率指令frequency，則時(shí)序控制FPGA通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路將射頻信號(hào)的頻率值傳輸?shù)缴漕l合成FPGA，射頻合成FPGA接收到射頻信號(hào)的頻率值后設(shè)置直接數(shù)字合成器使得直接數(shù)字合成器輸出對(duì)應(yīng)頻率值的射頻信號(hào)，直接數(shù)字合成器輸出的射頻信號(hào)依次通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃鳌⒐β史糯笃骱蜑V波器后輸出；
若機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的為波形幅值指令dac，則時(shí)序控制FPGA通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路將射頻信號(hào)的幅值傳輸?shù)缴漕l合成FPGA，射頻合成FPGA根據(jù)射頻信號(hào)的幅值控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出，進(jìn)而通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆妫?br> 若機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的為波形初始相位指令phase，則時(shí)序控制FPGA通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路將射頻信號(hào)的初始相位值傳輸?shù)缴漕l合成FPGA，射頻合成FPGA接收到射頻信號(hào)的初始相位值后設(shè)置直接數(shù)字合成器使得直接數(shù)字合成器輸出對(duì)應(yīng)初始相位值的射頻信號(hào)，直接數(shù)字合成器輸出的射頻信號(hào)依次通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃?、功率放大器和濾波器后輸出；
若機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的等待指令wait，則時(shí)序控制FPGA在等待時(shí)間內(nèi)維持射頻信號(hào)以當(dāng)前射頻信號(hào)的頻率值、射頻信號(hào)的幅值、射頻信號(hào)的初始相位值進(jìn)行持續(xù)輸出；時(shí)序控制FPGA維持?jǐn)?shù)字信號(hào)在等待時(shí)間內(nèi)以當(dāng)前高低電平信號(hào)持續(xù)輸出。
[0012]若機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的為設(shè)置實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)字輸出指令do，則時(shí)序控制FPGA (3)按照數(shù)字信號(hào)的高低電平信號(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字信號(hào)。
[0013]步驟4、濾波器輸出的射頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)輸出電路輸出的數(shù)字信號(hào)加載到Α0Μ上。Α0Μ依據(jù)輸入的射頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)對(duì)從激光器傳過(guò)來(lái)的激光進(jìn)行調(diào)制。射頻信號(hào)的幅度控制激光的功率，射頻信號(hào)的相位控制激光的相位，射頻信號(hào)的頻率則對(duì)激光進(jìn)行移頻操作；數(shù)字信號(hào)則控制激光的通斷。經(jīng)過(guò)Α0Μ調(diào)制之后的激光入射至離子阱中與冷離子相互作用。
[0014]冷離子量子信息處理器的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生裝置，包括上位機(jī)，還包括時(shí)序控制模塊、射頻合成模塊和轉(zhuǎn)換模塊，
時(shí)序控制模塊包括以太網(wǎng)接口電路、時(shí)序控制FPGA和內(nèi)存，
轉(zhuǎn)換模塊包括電平轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)輸出電路和外部觸發(fā)輸入電路，
射頻合成模塊包括射頻合成FPGA、直接數(shù)字合成器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、可變?cè)鲆娣糯笃?、功率放大器和濾波器，
上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口電路與時(shí)序控制FPGA連接，時(shí)序控制FPGA與內(nèi)存(4)連接；時(shí)序控制FPGA與電平轉(zhuǎn)換電路連接，電平轉(zhuǎn)換電路分別與射頻合成FPGA、數(shù)字信號(hào)輸出電路、外部觸發(fā)輸入電路連接，射頻合成FPGA分別與直接數(shù)字合成器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，可變?cè)鲆娣糯笃鞣謩e與直接數(shù)字合成器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和功率放大器連接，功率放大器與濾波器連接。
[0015]如上所述的射頻合成模塊數(shù)目為2個(gè)或2個(gè)以上。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下有益效果:
1、實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)所需時(shí)序控制信號(hào)的直觀描述；
2、編制的上位機(jī)指令可以反復(fù)使用，避免了重復(fù)工作，且便于根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷完塞.口 ，
3、可方便地更改射頻信號(hào)的頻率、相位、幅度等參數(shù)；
4、控制速度快，不同參數(shù)的射頻信號(hào)切換可在幾十納秒內(nèi)完成；
5、可產(chǎn)生精確的相位相關(guān)射頻信號(hào)；
6、可精確控制多路控制信號(hào)協(xié)同工作；
7、擴(kuò)展性強(qiáng)，可以很容易地增加射頻信號(hào)路數(shù)；
8、裝置按功能模塊化，板間采用LVDS總線連接，電路干擾少，出現(xiàn)故障能迅速定位。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為冷離子量子信息處理器的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生裝置原理示意圖；
其中:1-上位機(jī)，2-以太網(wǎng)接口電路，3-時(shí)序控制FPGA (Field Programmable GateArray，F(xiàn)PGA),4-內(nèi)存，5-電平轉(zhuǎn)換電路，6-數(shù)字信號(hào)輸出電路，7-外部觸發(fā)輸入電路，8_ 射頻合成 FPGA，9_ 直接數(shù)字合成器(DDS，