桌面型核磁共振量子计算机
阅读说明：本技术 桌面型核磁共振量子计算机 (Desktop nuclear magnetic resonance quantum computer ) 是由 项金根 邹宏洋 施巍 俞圣 盛子锴 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种桌面型核磁共振量子计算机,包括：磁体、温控模块、主控板、匀场模块、探头和控制线圈,温控模块连接在主控板与磁体之间,用于控制磁体的磁场强度,进而控制磁体保持稳定的温度；探头和控制线圈连接在所述主控板与样品之间,用于实现多路信号的收发；匀场模块置于磁体处,并与主控板连接,用于产生补偿磁场,与磁体产生的磁场叠加；主控板,用于产生控制信号并接收探测信号。本发明不但缩小了体积,降低了制造成本,不需要更换样品,还有免维护的优点。(The invention discloses a desktop nuclear magnetic resonance quantum computer, which comprises: the temperature control module is connected between the main control board and the magnet and used for controlling the magnetic field intensity of the magnet and further controlling the magnet to keep stable temperature; the probe and the control coil are connected between the main control board and the sample and used for realizing the receiving and transmitting of the multi-path signals; the shimming module is arranged at the magnet, is connected with the main control board and is used for generating a compensation magnetic field and overlapping the compensation magnetic field with the magnetic field generated by the magnet; and the main control board is used for generating a control signal and receiving a detection signal. The invention not only reduces the volume and the manufacturing cost, does not need to replace samples, but also has the advantage of maintenance-free.)
技术领域
本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种桌面型核磁共振量子计算机。
背景技术
随着经典计算机的摩尔定律失效，以及现有的半导体工艺越来越接近经典极限尺寸，新的计算机体系的研发需求越来越高。在众多新的计算机体系架构中，由于量子计算(Quantum Computing，简称QC)在很多问题的解决上具有指数级的加速，其被认为是下一代有望颠覆现有计算体系的架构。世界经济论坛指出“量子计算将给科学、技术、经济及生活的每一个层面带来巨大变革”。
目前实现量子计算的物理实验平台有很多种，如核磁共振(Nuclear MagnetResonance，简称NMR)、超导量子芯片、离子阱、光量子等。其中核磁共振这个平台是起步最早、发展最为完善、实现量子算法最多的系统。核磁共振量子计算利用在强磁场中的原子核自旋作为量子比特进行量子计算，通过同一个分子中的不同原子核之间的J耦合实现不同量子比特之间的量子纠缠。例如Grover量子搜索算法，量子纠错码，量子绝热算法，以及量子拓扑相观测等都已经在核磁共振量子计算平台上被演示。基于核磁共振量子计算平台的研究，科学家们发展出了很多量子测控技术和算法，现在这些技术和算法已经应用于其它平台的量子计算领域。
现有的核磁共振量子计算机(Quantum Computer)采用超导线圈产生强磁场(例如：10特斯拉，1特斯拉＝10000高斯，约为地磁场的百万倍)，超导线圈工作在超低温环境下，需要日常添加液氦液氮保持低温环境。这些仪器价格昂贵，体积都比较庞大，需要安装在几米高的空间里。在使用它们进行量子计算之前，一般需要花费长期的时间去学习如何操作和控制这些仪器。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种小型化，重量轻，生产成本低的桌面型核磁共振量子计算机，为其它量子计算机平台的产业化指明方向。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种桌面型核磁共振量子计算机，包括：磁体、温控模块、主控板、匀场模块、探头和控制线圈，其中：
所述温控模块连接在所述主控板与磁体之间，用于控制磁体的磁场强度，进而控制磁体保持稳定的温度；
所述探头和控制线圈连接在所述主控板与样品之间，用于实现多路信号的收发；
所述匀场模块，置于所述磁体处，并与所述主控板连接，用于产生补偿磁场，与所述磁体产生的磁场叠加；
所述主控板，用于产生控制信号并接收探测信号。
其中，所述主控板包括FPGA模块、双路DAC及双路ADC，所述FPGA模块用于产生多路不同频率的控制射频信号并通过双路DAC对外发出，以及通过所述双路ADC接收不同频率的探测射频信号并解调。
其中，所述桌面型核磁共振量子计算机还包括：功率放大器、带通滤波器、收发转换器、前置放大器；所述探头和控制线圈通过所述功率放大器、带通滤波器、收发转换器、前置放大器连接所述主控板；其中：
所述探头和控制线圈通过收发转换器、带通滤波器及功率放大器连接所述双路DAC；以及通过收发转换器、前置放大器连接所述双路ADC；
所述功率放大器，用于放大主控板发出的控制信号；
所述带通滤波器，用于防止不同频率的控制信号经过探头后串扰其它通道的功率放大器；
所述前置放大器，用于放大接收到的核磁信号，通过前置放大器后，核磁信号被放大到1mV～1V区间；
所述收发转换器，用于不同信号的转发，当控制信号发射时，带通滤波器和收发转换器之间为通路，而收发转换器和前置放大器之间为断开状态，反之，当控制信号处于关闭状态时，带通滤波器和收发转换器之间为断路，而收发转换器和前置放大器之间为通路。
其中，所述收发转换器、带通滤波器、功率放大器及前置放大器分别为2个，组成双路通道。
其中，一通道的带通滤波器、收发转换器集成为一个模块。
其中，所述磁体包括两片永磁体及置于所述两片永磁体之间的导磁锷铁。
其中，磁体保持温度在0.002度/小时。
其中，所述温控模块包括：用于加热的功率电阻、用于测温的热敏电阻以及控制加热电流的控流模块，所述控流模块与所述主控板连接。
其中，所述匀场模块包括：匀场电源和匀场线圈，所述匀场线圈与所述匀场电源连接，并置于所述导磁锷铁上。
其中，所述样品采用亚磷酸二甲酯溶液或亚磷酸水溶液。
本发明提供的一种桌面型核磁共振量子计算机，包括：磁体、温控模块、主控板、匀场模块、探头和控制线圈，温控模块连接在主控板与磁体之间，用于控制磁体的磁场强度，进而控制磁体保持稳定的温度；探头和控制线圈连接在主控板与样品之间，用于实现多路信号的收发；匀场模块，置于所述磁体处，并与所述主控板连接，用于产生补偿磁场，与所述磁体产生的磁场叠加；主控板，用于产生控制信号并接收探测信号。本发明采用永磁体产生强磁场，通过设计合适的永磁体、研发可使磁体达到高均匀度的自动主动匀场方案、研发满足量子计算的小型核磁探头、研发多路收发的射频测控系统、优化量子计算要求的射频脉冲序列以及挑选合适的样品(亚磷酸二甲酯溶液或亚磷酸水溶液)等来实现桌面型核磁共振量子计算机。本发明实现了仪器的小型化，降低了仪器的重量，并大大降低仪器的生产成本，为其它量子计算机平台的产业化指明方向。
与传统的核磁共振量子计算机采用超导磁体作为产生强磁场相比，本发明采用永磁体产生强磁场，不但缩小了体积，降低了制造成本，不需要更换样品，还有免维护的优点。
附图说明
图1为本发明桌面型核磁共振量子计算机的原理框架示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及的专用名词的含义、英文缩略词的含义
请参照图1所示：图1为本发明桌面型核磁共振量子计算机的原理框架示意图。本发明提供一种桌面型核磁共振量子计算机，包括：磁体、温控模块、主控板、匀场模块、探头和控制线圈，其中：
所述温控模块连接在所述主控板与磁体之间，用于控制磁体的磁场强度，进而控制磁体保持稳定的温度；
所述探头和控制线圈连接在所述主控板与样品之间，用于实现多路信号的收发；
所述匀场模块，置于所述磁体处，并与所述主控板连接，用于产生补偿磁场，与所述磁体产生的磁场叠加；
所述主控板，用于产生控制信号并接收探测信号。
其中，所述主控板包括FPGA模块、双路DAC及双路ADC，所述FPGA模块用于产生多路不同频率的控制射频信号并通过双路DAC对外发出，以及通过所述双路ADC接收不同频率的探测射频信号并解调。
其中，所述桌面型核磁共振量子计算机还包括：功率放大器、带通滤波器、收发转换器、前置放大器；所述探头和控制线圈通过所述功率放大器、带通滤波器、收发转换器、前置放大器连接所述主控板；其中：
所述探头和控制线圈通过收发转换器、带通滤波器及功率放大器连接所述双路DAC；以及通过收发转换器、前置放大器连接所述双路ADC；
所述功率放大器，用于放大主控板发出的控制信号；
所述带通滤波器，用于防止不同频率的控制信号经过探头后串扰其它通道的功率放大器；
所述前置放大器，用于放大接收到的核磁信号，通过前置放大器后，核磁信号被放大到1mV～1V区间；
所述收发转换器，用于不同信号的转发，当控制信号发射时，带通滤波器和收发转换器之间为通路，而收发转换器和前置放大器之间为断开状态，反之，当控制信号处于关闭状态时，带通滤波器和收发转换器之间为断路，而收发转换器和前置放大器之间为通路。
其中，所述收发转换器、带通滤波器、功率放大器及前置放大器分别为2个，组成双路通道。
进一步地，一通道的带通滤波器、收发转换器集成为一个模块。
进一步地，所述磁体包括两片永磁体及置于所述两片永磁体之间的导磁锷铁。
进一步地，所述温控模块包括：用于加热的功率电阻、用于测温的热敏电阻以及控制加热电流的控流模块，所述控流模块与所述主控板连接。
进一步地，所述匀场模块包括：匀场电源和匀场线圈，所述匀场线圈与所述匀场电源连接，并置于所述导磁锷铁上。
进一步地，所述样品采用亚磷酸二甲酯溶液或亚磷酸水溶液。
本发明采用永磁体产生强磁场，通过设计合适的永磁体、研发可使磁体达到高均匀度的自动主动匀场方案、研发满足量子计算的小型核磁探头、研发多路收发的射频测控系统、优化量子计算要求的射频脉冲序列以及挑选合适的样品(亚磷酸二甲酯溶液或亚磷酸水溶液)等来实现桌面型核磁共振量子计算机。
本发明实现了仪器的小型化，降低了仪器的重量，并大大降低仪器的生产成本，为其它量子计算机平台的产业化指明方向。
以下对本发明方案进行详细阐述：
如图1所示，作为一种具体的实施例，本发明桌面型核磁共振量子计算机主要由以下7大模块组成：磁体、温控模块、主控板、功率放大器/带通滤波器/收发转换器/前置放大器、匀场模块(匀场电源+匀场线圈)、探头和控制线圈、以及样品模块。各个功能模块的功能和参数如下：
(1)磁体：产品中的磁体由两片永磁体加上导磁锷铁组成，通过微调永磁体的结构可以产生高均匀度的磁场，磁场的强度为1特斯拉，均匀度为10ppm(在直径和高度都为5毫米的区间内)。
(2)温控模块：永磁体的磁场强度与温度相关，而量子比特的能级与永磁体的磁场强度相关，因此为了实现量子计算，需要将永磁体的磁场强度控制在非常精细的范围内，也就是需要让永磁体保持在一个非常稳定的温度中，在产品中的温控模块将磁体温度保持在0.002度/小时。温控模块由负责加热的功率电阻、负责测温的热敏电阻以及控制加热电流的模块组成，通过调节加热电流的占空比来实现加热的快慢，结合测温数值可以实现控温功能。温度测量和电流调节都由主控板来控制。
(3)匀场模块(匀场电源+匀场线圈)：永磁体材料生产的磁体由于加工精度等因素，所产生的磁场均匀度还不能够满足量子计算的要求(即使这些永磁体经过非常仔细的被动匀场)，因此需要利用不同形状的通入电流的线圈产生补偿磁场，与永磁体的磁场叠加最后得到更高均匀度的磁场。本设计方案要求主动匀场以后磁场均匀度达到0.2ppm。在本发明中，用于主动匀场的样品与用于做实验的样品一致，因此在整个设备使用周期内，不需要更换样品。本发明中的匀场线圈共有9组，匀场电流的大小由主控板控制。
(4)探头和控制线圈：在本发明的设计中，探头和控制线圈共用一个线圈，且这一线圈实现多路信号的收发。控制信号的电流路径与探测信号的电流路径不同，这两种信号的路径由收发转换器自动调节。
(5)主控板：核磁共振量子计算和超导芯片量子计算都是用射频信号来操控量子比特，最后测量得到的信号也是射频信号。量子计算的射频测控系统功能包括产生满足量子计算要求的调制射频信号以及接收和解调射频信号，在本发明中，射频的调制和解调都由FPGA来实现，无需添加额外的硬件调制解调器。为了实现对每一个量子比特的操控，每一个量子比特对应的共振射频频率都设置在不同的频带上，因此整体的射频测控系统要求能产生多路不同频率的射频信号，还需要能接收和解调不同频率的射频信号。
(6)功率放大器/带通滤波器/收发转换器/前置放大器：功率放大器负责将控制信号放大到合适的强度，在本发明的设计中，放大器在10—60MHz的范围内具有56dB的增益和50W的最大功率。而带通滤波器主要用于防止不同频率的控制信号经过探头后串扰其它通道的功率放大器。前置放大器负责放大接收到的核磁信号，通过前置放大器后，核磁信号被放大到1mV～1V区间。收发转换器负责不同信号的转发，当控制信号发射时，带通滤波器和收发转换器之间为通路，而收发转换器和前置放大器之间为断开状态，反之当控制信号处于关闭状态时，带通滤波器和收发转换器之间为断路，而收发转换器和前置放大器之间为通路。
(7)实验样品：本发明中的实验样品采用纯净的亚磷酸二甲酯，活泼氢的核磁共振谱的峰宽作为主动匀场的一个指标，与磷直接相连的氢的核磁共振谱的劈裂峰作为一个量子比特(Qubit)的二能级系统，磷的核磁工作谱的劈裂峰分别作为另外一个量子比特的二能级系统，共同组合实现2量子比特量子计算。
与传统的核磁共振量子计算机采用超导磁体作为产生强磁场相比，本发明采用永磁体产生强磁场，重量可以降低到100kg以下，不但缩小了体积，降低了制造成本，不需要更换样品，还有免维护的优点。
此外，作为一种变形方案，还可以将亚磷酸二甲酯溶液替换成亚磷酸水溶液，也可以实现相同的功能；
带通滤波器和收发转换器可以集成一个模块实现相同的功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。