冷離子量子信息處理器的時序控制信號產生方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及冷原子(離子)量子信息實驗領域，具體涉及冷離子量子信息處理器的時序控制信號產生裝置，還涉及冷離子量子信息處理器的時序控制信號產生方法，適合于冷原子(離子)量子信息實驗中時序控制信號的產生，也適合于光學頻標、量子光學等領域。
【背景技術】
[0002]隨著半導體技術日新月異的發(fā)展以及科學研究的不斷進步，信息技術的強大需求牽引必將使計算機特征尺寸快速逼近物理極限，經典計算機面臨運算速度及功耗等諸多瓶頸！在這個過程中，各種量子效應會顯現(xiàn)出來并最終成為微尺度下微觀粒子的普遍行為，最終導致經典計算機的失效。隨著物理學的快速進展和對計算機本質的深刻洞悉，結合了量子力學、信息學和計算機科學的新興交叉學科一一量子計算科學應運而生，現(xiàn)在已經成為世界各國競相爭奪的科技制高點之一。
[0003]量子計算利用量子體系的一些獨特性質(相干疊加、量子糾纏等)對計算、編碼、信息處理過程給予了新的詮釋，以開發(fā)新的更為有效的信息處理功能。基于量子相干性的量子計算機擁有內稟的并行計算和處理能力，在計算速度和存儲能力方面的潛力是經典計算機無法比擬的！ 一些經典計算機不能完成的工作(如破解現(xiàn)有銀行的安全體系)在量子計算機上能很快的完成，因此能廣泛應用于高性能計算、情報分析、信息安全等諸多領域。此夕卜，基于量子計算的量子仿真技術，可以更加有效的解決經典計算機和經典算法難于解決或無法解決的量子力學基本問題，將有助于人們進一步認識強關聯(lián)多體系統(tǒng)的物性，進而成為產生新材料或新發(fā)明的基本研究手段。
[0004]目前美國、歐洲、日本等發(fā)達國家都在資助量子計算的關鍵技術研究，其中涉及的量子計算的物理實現(xiàn)方式包括離子阱、量子點、線性光學、超導等。盡管目前還不能判定最終的量子計算機會采用其中哪種方案，但科學家普遍認為能夠實現(xiàn)量子計算機的物理體系應滿足Divincenzo判據。
[0005]離子阱體系是最早從理論上證明能夠進行量子計算的物理體系，從原理上滿足所有的Divincenzo判據，并且大部分判據已被實驗證實。由于離子阱體系有相干時間長、易于操控等優(yōu)勢，是發(fā)展最為迅速的量子計算物理體系之一，也被認為是量子計算物理實現(xiàn)最有希望的方案之一。
[0006]在一個典型的用原子(離子)研究量子計算的裝置上，用戶需要對量子比特實施操作。這些操作最終歸結為創(chuàng)建一系列的特定幅度、相位、頻率以及持續(xù)時間的激光或微波脈沖。實驗中反復遇到的一個問題是，如何在盡可能使用少的資源及引入少的錯誤的前提下，把在用戶的通用個人計算機里直觀描述的預定脈沖序列轉化為操作量子比特所需的實際時序控制脈沖信號。
[0007]解決這個問題的方法可以分成兩個部分。一是采用適當方法來描述所需的時序控制信號；二是設計一個裝置，即脈沖時序發(fā)生器，把前一步所描述的時序控制信號實際產生出來。

【發(fā)明內容】

[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序控制信號產生方法?？梢灾庇^、簡潔地實現(xiàn)脈沖信號描述，從而自動生成操縱量子比特和量子邏輯門所需的各種時序控制信號。
[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序控制信號產生裝置，用戶可以通過預先設置各種實驗(比如多普勒冷卻、邊帶冷卻、Zeeman譜掃描以及Rabi譜掃描等)所需時序控制信號的參數(shù)，就可在實驗中自動產生相應的時序控制信號。避免了繁重的重復工作，節(jié)省了大量的人力和時間。同時，通過實驗的實際效果，可以不斷完善相應的信號參數(shù)值，有利于不斷提高實驗精度。
[0010]冷離子量子信息處理器的時序控制信號產生方法，包括以下步驟:
步驟1、在上位機上，通過上位機指令設置量子信息實驗所需射頻信號參數(shù)，射頻信號參數(shù)包括射頻信號的頻率值、射頻信號的幅值、射頻信號的初始相位值和射頻信號的持續(xù)時間；通過上位機指令設置量子信息實驗所需的數(shù)字信號參數(shù)的高低電平信號及數(shù)字信號的持續(xù)時間，
上位機指令包括:等待指令wait，用于設定射頻信號的持續(xù)時間和數(shù)字信號的持續(xù)時間；波形頻率指令frequency，用于設定射頻信號的頻率值；波形幅值指令dac，用于設置射頻信號的幅值；波形初始相位指令Phase，用于射頻信號的初始相位值；數(shù)字輸出指令do，用于設定數(shù)字信號的高低電平信號，
步驟2、在上位機上，通過Labview軟件將表征步驟1中的各個射頻信號和數(shù)字信號參數(shù)的上位機指令變換為對應的時序控制FPGA的機器指令，并將機器指令通過以太網接口電路傳輸給時序控制FPGA，
步驟3、時序控制FPGA接收到機器指令后，先存入內存，然后逐條取出執(zhí)行。
[0011]若機器指令對應的為射頻信號的波形頻率指令frequency，則時序控制FPGA通過電平轉換電路將射頻信號的頻率值傳輸?shù)缴漕l合成FPGA，射頻合成FPGA接收到射頻信號的頻率值后設置直接數(shù)字合成器使得直接數(shù)字合成器輸出對應頻率值的射頻信號，直接數(shù)字合成器輸出的射頻信號依次通過可變增益放大器、功率放大器和濾波器后輸出；
若機器指令對應的為波形幅值指令dac，則時序控制FPGA通過電平轉換電路將射頻信號的幅值傳輸?shù)缴漕l合成FPGA，射頻合成FPGA根據射頻信號的幅值控制數(shù)模轉換器的輸出，進而通過數(shù)模轉換器控制可變增益放大器的增益；
若機器指令對應的為波形初始相位指令phase，則時序控制FPGA通過電平轉換電路將射頻信號的初始相位值傳輸?shù)缴漕l合成FPGA，射頻合成FPGA接收到射頻信號的初始相位值后設置直接數(shù)字合成器使得直接數(shù)字合成器輸出對應初始相位值的射頻信號，直接數(shù)字合成器輸出的射頻信號依次通過可變增益放大器、功率放大器和濾波器后輸出；
若機器指令對應的等待指令wait，則時序控制FPGA在等待時間內維持射頻信號以當前射頻信號的頻率值、射頻信號的幅值、射頻信號的初始相位值進行持續(xù)輸出；時序控制FPGA維持數(shù)字信號在等待時間內以當前高低電平信號持續(xù)輸出。
[0012]若機器指令對應的為設置實驗所需的數(shù)字輸出指令do，則時序控制FPGA (3)按照數(shù)字信號的高低電平信號通過電平轉換電路輸出數(shù)字信號。
[0013]步驟4、濾波器輸出的射頻信號和數(shù)字信號輸出電路輸出的數(shù)字信號加載到Α0Μ上。Α0Μ依據輸入的射頻信號和數(shù)字信號對從激光器傳過來的激光進行調制。射頻信號的幅度控制激光的功率，射頻信號的相位控制激光的相位，射頻信號的頻率則對激光進行移頻操作；數(shù)字信號則控制激光的通斷。經過Α0Μ調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序控制信號產生裝置，包括上位機，還包括時序控制模塊、射頻合成模塊和轉換模塊，
時序控制模塊包括以太網接口電路、時序控制FPGA和內存，
轉換模塊包括電平轉換電路、數(shù)字信號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)模轉換器、可變增益放大器、功率放大器和濾波器，
上位機通過以太網接口電路與時序控制FPGA連接，時序控制FPGA與內存(4)連接；時序控制FPGA與電平轉換電路連接，電平轉換電路分別與射頻合成FPGA、數(shù)字信號輸出電路、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)模轉換器連接，可變增益放大器分別與直接數(shù)字合成器、數(shù)模轉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個或2個以上。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，有如下有益效果:
1、實現(xiàn)了對實驗所需時序控制信號的直觀描述；
2、編制的上位機指令可以反復使用，避免了重復工作，且便于根據實驗結果不斷完塞.口 ，
3、可方便地更改射頻信號的頻率、相位、幅度等參數(shù)；
4、控制速度快，不同參數(shù)的射頻信號切換可在幾十納秒內完成；
5、可產生精確的相位相關射頻信號；
6、可精確控制多路控制信號協(xié)同工作；
7、擴展性強，可以很容易地增加射頻信號路數(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。
【附圖說明】
[0017]圖1為冷離子量子信息處理器的時序控制信號產生裝置原理示意圖；
其中:1-上位機，2-以太網接口電路，3-時序控制FPGA (Field Programmable GateArray，F(xiàn)PGA),4-內存，5-電平轉換電路，6-數(shù)字信號輸出電路，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，