离子阱驱动装置
阅读说明：本技术 离子阱驱动装置 (Ion trap driving device ) 是由 陈柳平 万相奎 韩琢 李伍一 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开的离子阱驱动装置,涉及量子计算领域,包括信号发生器、积分器、频率选择器、功率放大器、谐振器、采集器、模数转换器、偏移量监测器和调整器,其中,信号发生器用于制备PWM脉冲信号,积分器用于对PWM脉冲信号进行积分,得到三角波信号,频率选择器用于从三角波信号中选取特定频率的信号作为射频信号,功率放大器用于增大特定频率的射频信号的功率,谐振器用于将特定频率的射频信号耦合至离子阱中,偏移量监测器用于根据数字信号,实时计算射频信号的频率偏移量,调整器用于根据射频信号的频率偏移量,实时调整信号发生器的参数,降低了射频信号的频率漂移幅度,提高了射频信号的稳定性。(The invention discloses an ion trap driving device, which relates to the field of quantum computation and comprises a signal generator, an integrator, a frequency selector, a power amplifier, a resonator, a collector, an analog-to-digital converter, an offset monitor and an adjuster, wherein the signal generator is used for preparing PWM pulse signals, the integrator is used for integrating the PWM pulse signals to obtain triangular wave signals, the frequency selector is used for selecting signals with specific frequency from the triangular wave signals as radio frequency signals, the power amplifier is used for increasing the power of the radio frequency signals with the specific frequency, the resonator is used for coupling the radio frequency signals with the specific frequency into an ion trap, the offset monitor is used for calculating the frequency offset of the radio frequency signals in real time according to digital signals, the adjuster is used for adjusting the parameters of the signal generator in real time according to the frequency offset of the radio frequency signals to reduce the frequency drift amplitude of the radio frequency signals, the stability of the radio frequency signal is improved.)
技术领域
本发明涉及量子计算技术领域，具体涉及一种离子阱驱动装置。
背景技术
在量子计算领域，需要离子阱驱动装置产生频率为48MHz的稳定的射频信号。该离子阱驱动装置通常由射频振荡器、功率放大器、谐振变压器等元器件组成。该离子阱射驱动装置容易受到环境温度波动的干扰，导致输出的射频信号不稳定，容易产生频率偏移，从而降低离子囚禁的时间。由于产生离子阱射频信号的射频振荡器容易受到温度的波动，在温度发生变化时，射频振荡器中的部分参数会产生小幅的波动，其产生的射频信号也会产生小幅度的频率漂移或“抖动”，这种频率的偏移会影响离子阱对离子的囚禁，因此，需要设计一种能够减小射频信号频率漂移的方案。
目前的离子阱驱动装置主要采用射频振荡器产生射频信号源，射频振荡器容易发热，而射频振荡器中的部分参数受环境温度影响较大。当环境温度发生变化时，其内部参数会发生变化，导致输出的射频信号频率发生偏移或“抖动”，而数字PID控制电路难以消除射频信号频率的偏移或“抖动”，影响离子阱对离子的捕获。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明实施例提供了一种离子阱驱动装置，以解决现有技术存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的离子阱驱动装置包括：
信号发生器，用于制备PWM脉冲信号。
积分器，用于对所述PWM脉冲信号进行积分，得到三角波信号。
频率选择器，用于从所述三角波信号中选取特定频率的信号作为射频信号。
功率放大器，用于增大所述特定频率的射频信号的功率。
谐振器，用于将所述特定频率的射频信号耦合至离子阱中。
采集器，用于根据设定的比例，实时采集所述谐振器输出的射频信号。
模数转换器，用于将所述射频信号转换为相应的数字信号。
偏移量监测器，用于根据所述数字信号，实时计算所述射频信号的频率偏移量。
调整器，用于根据所述射频信号的频率偏移量，实时调整所述信号发生器的参数。
作为本发明一个优选的实施方式，所述信号发生器为PWM脉冲信号发生器。
作为本发明一个优选的实施方式，所述频率选择器为带通滤波器。
作为本发明一个优选的实施方式，所述偏移量监测器，具体用于对所述数字信号进行傅里叶变换，根据傅里叶变换结果，实时计算所述射频信号的频率偏移量。
作为本发明一个优选的实施方式，所述调整器，具体用于实时判断所述射频信号的频率偏移量为正值还是负值，若为正值，则利用第一占空比计算模型，实时调整所述信号发生器输出的PWM脉冲信号的占空比。
作为本发明一个优选的实施方式，所述调整器，具体用于若确定所述射频信号的频率偏移量为正值还是负值，若为负值，则利用第二占空比计算模型，调整所述信号发生器输出的PWM脉冲信号的占空比。
作为本发明一个优选的实施方式，所述第一占空比计算模型为：
，
其中，表示频率偏移量，，P表示PWM脉冲信号的占空比。
作为本发明一个优选的实施方式，所述第二占空比计算模型为：
。
本发明实施例提供的离子阱驱动装置具有以下有益效果：
（1）采用自身发热量小的PWM脉冲信号发生器，受环境温度影响较小，降低了射频信号频率漂移的幅度；
（2）针对射频信号频率漂移的不同情况，采用不同的占空比计算模型来调整PWM脉冲信号的占空比，进一步降低了射频信号的频率漂移幅度，提高了射频信号的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的离子阱驱动装置结构示意图。
图2为积分器的电路结构示意图。
图3为射频信号的频率偏移示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供的离子阱驱动装置包括信号发生器、积分器、频率选择器、功率放大器、谐振器、采集器、模数转换器、偏移量监测器和调整器，其中：
信号发生器用于制备PWM脉冲信号。
作为本发明一个可选的实施方式，该信号发生器为PWM脉冲信号发生器。其中，PWM脉冲信号为脉冲宽度可调制的脉冲信号，也就是占空比可变的脉冲信号。
积分器用于对该PWM脉冲信号进行积分，得到三角波信号。
作为本发明一个具体的实施方式，积分器的电路如图2所示。
其中，积分器是一种元件，其输出信号为输入信号对时间的积分，积分器可以视为是计数器的连续版本，可以将输入的信号累计后再输出。
频率选择器用于从该三角波信号中选取特定频率的信号作为射频信号。
作为本发明一个可选的实施方式，频率选择器为带通滤波器，用于从包含多个频率的三角波信号中选取频率为48MHz的三角波信号并滤除其他频率的三角波信号。
功率放大器用于增大特定频率的射频信号的功率。
谐振器用于将该特定频率的射频信号耦合至离子阱中。
采集器用于根据设定的比例，实时采集谐振器输出的射频信号。
作为本发明一个可选的实施方式，该设定的比例为1/100，即当谐振器输出的射频信号的功率为100mw时，采集器采集到的射频信号的功率为1mw，耦合至离子阱中的射频信号的功率为99mw。
模数转换器用于将该射频信号转换为相应的数字信号。
偏移量监测器用于根据该数字信号，实时计算该射频信号的频率偏移量。
作为本发明一个可选的实施方式，偏移量监测器具体用于对数字信号进行傅里叶变换，根据傅里叶变换结果，实时计算射频信号的频率偏移量。具体计算过程如下：
采样信号经过傅里叶变换，可以计算出通道中射频信号的频率，即。表示采样信号，表示采样信号的傅里叶变换，为在频域的信号。类似脉冲信号，其最大值对应的频率即为通道中射频信号的频率。
调整器用于根据该射频信号的频率偏移量，实时调整信号发生器的参数。
作为本发明一个可选的实施方式，如图3所示，调整器具体用于实时判断该射频信号的频率偏移量为正值还是负值，若为正值，则利用第一占空比计算模型，实时调整信号发生器输出的PWM脉冲信号的占空比，若为负值，则利用第二占空比计算模型，实时调整信号发生器输出的PWM脉冲信号的占空比。
其中，占空比的定义为：，式中，表示一个周期内高电平时长，表示一个周期内低电平时长。射频信号的频率为射频信号每秒钟从高电平到低电平再回到高电平的次数。当信号发生器输出的PWM脉冲信号的占空比为50%时，频率选择器输出的射频信号的频率达到最小值。其中，信号发生器输出的PWM脉冲信号的占空比与50%的差的绝对值越大，频率选择器输出的射频信号的频率就越大，所以，可以通过调整信号发生器输出的PWM脉冲信号的占空比，调整频率选择器输出的射频信号的频率，以稳定该射频信号的频率。
作为本发明一个可选的实施方式，当需要离子阱驱动装置产生频率为48MHz的稳定的射频信号时，射频通道中48MHz射频信号的频率偏移既可能为正，也可能为负。此时，调整器利用占空比计算模型调整PWM脉冲信号发生器输出的PWM脉冲信号的占空比，以修正射频信号的频率。
如果48MHz射频信号的频率偏移量为正，则调整器采用的占空比计算模型对应的表达式如下：
（1）
如果48MHz射频信号的频率偏移量为负，则调整器采用的占空比计算模型对应的表达式如下：
（2）
式（1）及（2）中，表示频率偏移量，，P表示PWM脉冲信号的占空比。
本发明实施例提供的离子阱射频装置包括信号发生器、积分器、频率选择器、功率放大器、谐振器、采集器、模数转换器、偏移量监测器和调整器，其中，信号发生器用于制备PWM脉冲信号，积分器用于对PWM脉冲信号进行积分，得到三角波信号，频率选择器用于从三角波信号中选取特定频率的信号作为射频信号，功率放大器用于增大特定频率的射频信号的功率，谐振器用于将特定频率的射频信号耦合至离子阱中，采集器用于根据设定的比例，实时采集谐振器输出的射频信号，模数转换器用于将射频信号转换为相应的数字信号，偏移量监测器用于根据数字信号，实时计算射频信号的频率偏移量，调整器用于根据射频信号的频率偏移量，实时调整信号发生器的参数，降低了射频信号的频率漂移幅度，提高了射频信号的稳定性。
可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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