阅读说明：本技术 适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置及方法 (Bit state measuring and reading device and method suitable for multi-quantum computer chip ) 是由 郭科选 周明 王乔 于 2019-08-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置及方法,装置包括：测量模块、读取模块以及微波开关片选模块；所述测量模块与读取模块、微波开关片选模块分别相连,所述读取模块与微波开关片选模块相连；测量模块：根据脉冲信号,获取用于激励量子芯片的测量信号；微波开关片选模块：将测量信号送至特定芯片的输入端口；根据测量信号,指定特定芯片做出响应,输出读取信号；读取模块：根据读取信号、数据采集信号,获取采集后读取信号；所述数据采集信号指导通过数据采集卡进行数据采集的行为。在受低温设备空间及制冷功率的限制及低温设备中可供使用的传输线缆数量有限的条件下,提高芯片测量效率。(The invention provides a bit state measurement reading device and method suitable for a multi-quantum computer chip, wherein the device comprises: the microwave switch chip selection module comprises a measurement module, a reading module and a microwave switch chip selection module; the measurement module is respectively connected with the reading module and the microwave switch chip selection module, and the reading module is connected with the microwave switch chip selection module; a measurement module: acquiring a measuring signal for exciting the quantum chip according to the pulse signal; the microwave switch chip selection module: sending the measuring signal to an input port of a specific chip; according to the measurement signal, a specific chip is appointed to respond, and a reading signal is output; a reading module: acquiring an acquired read signal according to the read signal and the data acquisition signal; the data acquisition signal directs the act of data acquisition by the data acquisition card. Under the conditions of limitation of space and refrigeration power of low-temperature equipment and limited number of transmission cables available in the low-temperature equipment, the chip measurement efficiency is improved.)

适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置及方法

技术领域

本发明涉及超导量子计算机芯片测量读取技术领域，具体地，涉及适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置及方法。

背景技术

量子计算是建立在量子力学叠加原理和量子纠缠特性基础上的一门极具发展潜力的新兴交叉学科。量子计算用量子态编码信息,按量子力学规律、根据算法要求操控、演化编码态,最后通过测量读取信息,最终实现量子信息处理任务。量子计算可以完成经典计算无法完成或者很难完成的计算任务,其潜在的巨大应用引发了近十几年来科学界对量子计算理论和实验的研究。目前,正在探索的可能实现量子计算机的物理系统有离子阱、腔量子电动力学(腔QED)、核磁共振、量子点、超导约瑟夫森结和线性光学等系统。超导约瑟夫森结量子计算因其在设计加工，规模化集成方面具有天然的优势，被认为是最有前途的方案之一。量子计算机的主要由量子芯片、调控测量读取系统、算法软件三部分组成。量子芯片是量子计算的核心，调控测量读取系统，是对量子芯片进行操控的实施，算法软件是量子计算解决具体问题的方式方法。量子比特有物理量子比特和逻辑量子比特之分。逻辑量子比特是用于计算的一个最小单元。而物理量子比特仅指具有量子效应的约瑟夫森结。例如50位量子比特的量子计算机是指50个逻辑量子比特的计算机，而非50个物理比特。目前国际上存在两种不同方案实现容错量子计算，第一种是表面码纠错，即用多个物理量子比特纠缠来实现一个逻辑量子比特，50个逻辑量子比特可能需要上千个物理量子比特，甚至数百万个量子比特集成来构建。另一种方式是实现非常高精度的量子门操作，在高精度的量子门操作情况下，50个物理量子比特的操作也可以实现超越超级计算机的算力。这种方式的前提条件是需要我们将量子门操作精度提升到单量子门99.99％，双量子门大于99.95％的精度。目前量子芯片的研发还处于探索阶段，设计方法和生产工艺均不成熟。特别是多量子比特的设计结果与试制结果有很大的差异。需要对试制的芯片进行测量，将测量结果反馈给设计进行改进设计。芯片测量需要在10mK的低温环境下进行，由于受低温设备空间及制冷功率的限制及低温设备中可供使用的传输线缆数量有限。如何在现有的条件下提高芯片测量效率成为测量工作的一重要个问题。

专利文献109327190A公开了一种多量子比特调控读取装置，其特征在于，包括：用于调控量子比特的二次变频控制单元和用于量子比特读取的约瑟夫森参量放大器读取单元，其中，所述二次变频控制单元包括IQ脉冲信号源、第一本振信号源、第二本振信号源、第一混频器和第二混频器，所述IQ脉冲信号源产生两个相位相差90度的低频方波信号或低频高斯波信号，所述低频方波信号或所述低频高斯波信号通过所述第一混频器和所述第一本振源进行脉冲调制得到两个相位相差90度的低频信号脉冲，再通过第二混频器以及所述第二本振信号源进行二次频谱搬移得到高频脉冲信，该专利在受低温设备空间及制冷功率的限制及低温设备中可供使用的传输线缆数量有限的条件下，提高芯片测量效率上仍有完善的空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置及方法。

根据本发明提供的适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置，包括：测量模块、读取模块以及微波开关片选模块；所述测量模块与读取模块、微波开关片选模块分别相连，所述读取模块与微波开关片选模块相连；测量模块：根据脉冲信号，获取用于激励量子芯片的测量信号；微波开关片选模块：将测量信号送至特定芯片的输入端口；根据测量信号，指定特定芯片做出响应，输出读取信号；读取模块：根据读取信号、数据采集信号，获取采集后读取信号；所述数据采集信号指导通过数据采集卡进行数据采集的行为。

优选地，测量模块采用：任意波形发生器1，微波源6，调制器2以及滤波器3；测量模块包括：产生信号模块：任意波形发生器1产生脉冲信号；微波源6产生特定频率的微波信号；调制信号模块：根据脉冲信号、微波信号、调制行为参数，获取已调制信号；第一滤波模块：根据已调制信号、第一滤波行为参数，获取测量信号；所述调制行为参数指导调制器2将脉冲信号调制到微波信号上的行为；所述第一滤波行为参数指导第一滤波器3滤除在调制器非线性特性所产生的杂波信号的行为。

优选地，微波开关片选模块采用：微波分路开关4、多个芯片的组合和微波合路开关5；微波开关片选模块包括：微波分路选通模块：利用微波分路开关4输出测量信号至特定芯片；微波合路选通模块：特定芯片经激励产生读取信号；利用微波合路开关5输出读取信号至读取模块。所述微波分路开关4微波合路开关5采用：SP6T的微波开关。

优选地，读取模块采用：隔离器11、滤波器10、低噪声放大器9、解调器8、采集卡7和微波源6；所述读取模块包括：单向选通模块：根据读取信号，利用隔离器11将读取信号向负载方向传输，获取单向读取信号；第二滤波模块：根据单向读取信号、第二滤波行为参数，获取滤波后单向读取信号；放大模块：根据滤波后单向读取信号、放大信号参数，获取放大滤波后单向读取信号；解调模块：根据放大滤波后单向读取信号、解调行为参数，获取待采集读取信号；数据采集模块：根据待采集读取信号、数据采集参数，获取数据采集信号；所述第二滤波行为参数指导第二滤波器10滤除杂波信号的行为；所述放大信号参数指导放大器9对单向读取信号进行放大至特定信号幅度的行为；所述解调行为参数指导解调器8将已调信号中的调制信息解调出来，获取待采集读取信号的行为。

优选地，测量模块、读取模块、微波开关片选模块间及各模块内部元器件间采用微波同轴线缆相连；微波同轴线缆采用6J40康铜漆包线。

根据本发明提供的一种适用于多量子计算机芯片的位态测量读取方法，其特征在于，包括：测量步骤、读取步骤以及微波开关片选步骤；测量步骤：根据脉冲信号，获取用于激励量子芯片的测量信号；微波开关片选步骤：将测量信号送至特定芯片的输入端口；根据测量信号，指定特定芯片做出响应，输出读取信号；读取步骤：根据读取信号、数据采集信号，获取采集后读取信号；所述数据采集信号指导通过数据采集卡进行数据采集的行为。

优选地，测量步骤包括：产生信号步骤：任意波形发生器1产生脉冲信号；微波源6产生特定频率的微波信号；调制信号步骤：根据脉冲信号、微波信号、调制行为参数，获取已调制信号；第一滤波步骤：根据已调制信号、第一滤波行为参数，获取测量信号；所述调制行为参数指导调制器2将脉冲信号调制到微波信号上的行为；所述第一滤波行为参数指导第一滤波器3滤除在调制器非线性特性所产生的杂波信号的行为。

优选地，微波开关片选步骤包括：微波分路选通步骤：利用微波分路开关4输出测量信号至特定芯片；微波合路选通步骤：特定芯片经激励产生读取信号；利用微波合路开关5输出读取信号至读取步骤。所述微波分路开关4微波合路开关5采用：SP6T的微波开关。

优选地，所述读取步骤包括：单向选通步骤：根据读取信号，利用隔离器11将读取信号向负载方向传输，获取单向读取信号；第二滤波步骤：根据单向读取信号、第二滤波行为参数，获取滤波后单向读取信号；放大步骤：根据滤波后单向读取信号、放大信号参数，获取放大滤波后单向读取信号；解调步骤：根据放大滤波后单向读取信号、解调行为参数，获取待采集读取信号；数据采集步骤：根据待采集读取信号、数据采集参数，获取数据采集信号；所述第二滤波行为参数指导第二滤波器10滤除杂波信号的行为；所述放大信号参数指导放大器9对单向读取信号进行放大至特定信号幅度的行为；所述解调行为参数指导解调器8将已调信号中的调制信息解调出来，获取待采集读取信号的行为。

优选地，所述芯片为量子芯片。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明设计合理，使用方便，在受低温设备空间及制冷功率的限制及低温设备中可供使用的传输线缆数量有限的条件下，能够提高芯片测量效率；

2、本发明降低了芯片对低温设备线缆的依赖，能够适应20mk低温环境；

3、本发明能够有效提高低温环境中的芯片测量效率，能够很好地应用于对试制的多量子芯片的测量和反馈。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的框图示意图。

图3为量子芯片测量拓展装置设计图。

图4为测量模块产生的信号示意图。

图中

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4所示，根据本发明提供的适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置，包括：测量模块、读取模块以及微波开关片选模块；所述测量模块与读取模块、微波开关片选模块分别相连，所述读取模块与微波开关片选模块相连；测量模块：根据脉冲信号，获取用于激励量子芯片的测量信号；微波开关片选模块：将测量信号送至特定芯片的输入端口；根据测量信号，指定特定芯片做出响应，输出读取信号；读取模块：根据读取信号、数据采集信号，获取采集后读取信号；所述数据采集信号指导通过数据采集卡进行数据采集的行为。先由测量模块产生一个合适的用于激励量子芯片测量信号，再通过分路微波开关将测量信号送至指定的芯片输入端，在测量信号的作用下，指定的量子芯片会做出响应，产生一个读取信号，再通过微波合路开关，将该芯片产生的读取信号送至读取模块。读取模块对读取信号进行处理，再通过数据采集卡进行数据的采集。

测量模块采用：任意波形发生器1，微波源6，调制器2以及滤波器3；测量模块包括：产生信号模块：任意波形发生器1产生脉冲信号；微波源6产生特定频率的微波信号；调制信号模块：根据脉冲信号、微波信号、调制行为参数，获取已调制信号；第一滤波模块：根据已调制信号、第一滤波行为参数，获取测量信号；所述调制行为参数指导调制器2将脉冲信号调制到微波信号上的行为；所述第一滤波行为参数指导第一滤波器3滤除在调制器非线性特性所产生的杂波信号的行为。该模块的作用主是产生用于激励量子芯片的测量信号。具体地，在一个实施例中，任意波形发生器1，产生一个周期为100us，脉冲宽度为2us的脉冲信号。微波源6产生一个特定频率的微波信号，将这两个信号通过微波线缆送至调制器2。在调制器2的作用下，将脉冲信号调制到微波信号上，得到已调制的信号。脉冲信号、微波信号、已调信号的示意图如附图3所示。已调信号再经滤波器3，滤除在调制器非线性特性所产生的杂波信号，得到比较纯净的测量信号，用于激励量子芯片。

微波开关片选模块采用：微波分路开关4、多个芯片的组合和微波合路开关5；微波开关片选模块包括：微波分路选通模块：利用微波分路开关4输出测量信号至特定芯片；微波合路选通模块：特定芯片经激励产生读取信号；利用微波合路开关5输出读取信号至读取模块。所述微波分路开关4微波合路开关5采用：SP6T的微波开关。

现有的常规测量读取系统单个芯片测量至少需要占用2根同轴电缆，受低温设备传输线缆数量的限制，单次能测量的芯片数量有限。本发明采用多路复用技术通过增加微波开关片选功能模块的方式，将原来2根同轴电缆，只能进行单芯片测量扩展到可进行6个芯片测量，提高了芯片的测量效率，降低了测量成本。具体地，在一个实施例中，微波开关片选模块主要由两个SP6T的微波开关组成。测量信号从微波开关的公共端进入，通过控制微波开关的断开与的闭合。再选择性的从某一分路端输出，将测量信号送至选定的芯片输入端。芯片输出端产生的响应信号则连接到另一微波开关的分路端，通过控制开关断开与的闭合再选择性地将某一分路端的信号与开关的公共端连通，实现片选的功能。将读取信号送至读取测量模块，实现信号的读取。通过加入微波开关片选模块，实现了测量模块与读取模块的公用，从而降低了芯片对低温设备的线缆需求。此外需要注意的是微波开关及的控制线缆的选择，目前市场上暂未找到工作温度低至20mK的微波开关，本方案中选择的是radiall的一款R591系列的SP6D微波开关，该微波开关的工作频率从DC至26.5GHz，控制电压为28V，常温下线包电阻为250欧姆，开关动作电流为110mA，工作温度为：-40℃～+85℃。经过试验发现，在20mK的温度下，普通的铜导线和微波开关的线包电阻会超导，此时再加28V电压线进行开关控制，包电阻上的电流会增大导至线包烧毁。例如测量6个量子芯片，不加微波开关片选模块时需要12根同轴线缆，6套测量、读取功能模块，采用该方案后，仅需要2根同轴线缆，1套测量读取功能模块即可完成。

读取模块采用：隔离器11、滤波器10、低噪声放大器9、解调器8、采集卡7和微波源6；所述读取模块包括：单向选通模块：根据读取信号，利用隔离器11将读取信号向负载方向传输，获取单向读取信号；第二滤波模块：根据单向读取信号、第二滤波行为参数，获取滤波后单向读取信号；放大模块：根据滤波后单向读取信号、放大信号参数，获取放大滤波后单向读取信号；解调模块：根据放大滤波后单向读取信号、解调行为参数，获取待采集读取信号；数据采集模块：根据待采集读取信号、数据采集参数，获取数据采集信号；所述第二滤波行为参数指导第二滤波器10滤除杂波信号的行为；所述放大信号参数指导放大器9对单向读取信号进行放大至特定信号幅度的行为；所述解调行为参数指导解调器8将已调信号中的调制信息解调出来，获取待采集读取信号的行为。具体地，在一个实施例中，量子芯片经微波测量信号的激励后，产生的响应信号通过隔离器，隔离器是一种单向传输微波信号的器件，当微波信号正向传输时，可将功率馈给负载，对来自负载的反射波则产生较大的衰减。滤波器则是对无用的杂波信号进行抑制，提高响应信号的质量。由于量子芯片产生的响应信号很弱大约在-100dBm左右。需要经过低噪声放大器来提高信号的功率的同时，尽可能降低噪声功率。该放大器的增益为40dB，信号通过放大器，放大了1万倍后，将送至解调器再进行解调，获取低频调制信号，低频调制信号再经采集卡进行数字采集，以便后续对信号进行处理和计算。

测量模块、读取模块、微波开关片选模块间及各模块内部元器件间采用微波同轴线缆相连；微波同轴线缆采用6J40康铜漆包线。本发明选用材料为6J40的康铜漆包线做为控制线缆，该材质的线缆内阻随温度变化小，能普适于常温和低温工作，在20mK的温度下未进入超导区。通过选用6J40合适直径的康铜漆包线做为控制线缆，减小微波开关随温度变化导致的线包电阻的变化差量。达到该微波开关可适用于20mK低温的目的。

本领域技术人员可以将本发明提供的适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置，理解为本发明提供的适用于多量子计算机芯片的位态测量读取方法的一个实施例。即，所述适用于多量子计算机芯片的位态测量读取方法可以通过执行所述适用于多量子计算机芯片的位态测量读取装置实现。

根据本发明提供的一种适用于多量子计算机芯片的位态测量读取方法，其特征在于，包括：测量步骤、读取步骤以及微波开关片选步骤；测量步骤：根据脉冲信号，获取用于激励量子芯片的测量信号；微波开关片选步骤：将测量信号送至特定芯片的输入端口；根据测量信号，指定特定芯片做出响应，输出读取信号；读取步骤：根据读取信号、数据采集信号，获取采集后读取信号；所述数据采集信号指导通过数据采集卡进行数据采集的行为。

测量步骤包括：产生信号步骤：任意波形发生器1产生脉冲信号；微波源6产生特定频率的微波信号；调制信号步骤：根据脉冲信号、微波信号、调制行为参数，获取已调制信号；第一滤波步骤：根据已调制信号、第一滤波行为参数，获取测量信号；所述调制行为参数指导调制器2将脉冲信号调制到微波信号上的行为；所述第一滤波行为参数指导第一滤波器3滤除在调制器非线性特性所产生的杂波信号的行为。

微波开关片选步骤包括：微波分路选通步骤：利用微波分路开关4输出测量信号至特定芯片；微波合路选通步骤：特定芯片经激励产生读取信号；利用微波合路开关5输出读取信号至读取步骤。所述微波分路开关4微波合路开关5采用：SP6T的微波开关。

所述读取步骤包括：单向选通步骤：根据读取信号，利用隔离器11将读取信号向负载方向传输，获取单向读取信号；第二滤波步骤：根据单向读取信号、第二滤波行为参数，获取滤波后单向读取信号；放大步骤：根据滤波后单向读取信号、放大信号参数，获取放大滤波后单向读取信号；解调步骤：根据放大滤波后单向读取信号、解调行为参数，获取待采集读取信号；数据采集步骤：根据待采集读取信号、数据采集参数，获取数据采集信号；所述第二滤波行为参数指导第二滤波器10滤除杂波信号的行为；所述放大信号参数指导放大器9对单向读取信号进行放大至特定信号幅度的行为；所述解调行为参数指导解调器8将已调信号中的调制信息解调出来，获取待采集读取信号的行为。

所述芯片为量子芯片。

本发明设计合理，使用方便；本发明降低了芯片对低温设备线缆的依赖，能够适应20mk低温环境；本发明能够有效提高低温环境中的芯片测量效率，能够很好地应用于对试制的多量子芯片的测量和反馈。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。