超导量子计算机的系统架构

专利摘要:
一种超导量子计算机的系统架构，系统架构包括：温度可控的低温设备、超导量子处理器、低温电子功能单元、室温终端以及低温‑室温通信链路。超导量子处理器设置于低温设备内，工作于第一温度区间。低温电子功能单元设置于低温设备内，工作于第二温度区间，第二温度区间的最小值高于第一温度区间的最大值，或者，第二温度区间的最大值高于第一温度区间的最大值且第二温度区间与第一温度区间有重叠，低温电子功能单元用于为超导量子处理器的工作提供所需的信号。室温终端处于第三温度区间，第二温度区间的最大值小于第三温度区间的最小值。室温终端和低温电子功能单元通过低温‑室温通信链路进行通信。
公开号:CN214335776U
申请号:CN202120020301.6U
申请日:2021-01-05
公开日:2021-10-01
发明作者:梁福田；邓辉；龚明；吴玉林；彭承志；朱晓波；潘建伟
申请人:University of Science and Technology of China USTC；
IPC主号:G06N10-00

专利说明:
[n0001] 本公开属于量子计算技术领域，涉及一种超导量子计算机的系统架构。
[n0002] 在超导量子计算机领域，虽然相关技术发展前后有几十年，但因为门槛高，技术难度大，其实用化发展速度并不快。随着近几年相关技术的突飞猛进，为超导量子计算机的实用化向前推进。但这个过程中并没有一个明确的超导量子计算机系统架构指导或规范超导量子计算机的成型。
[n0003] 发明人在实现本公开技术构思的过程中发现现有技术存在以下技术问题：典型的超导量子计算机的系统架构是将控制系统布置于常温(室温) 环境，将大量的控制信号在室温区产生后，通过信号线，将信号逐级送入低温区，这将占用大量的高频率模拟信号传输线，占用制冷机的接线位置，同时因为在大部分低温区，信号线的材料都不超导，还形成大量的漏热，使得最终制冷机因为线路漏热而很难达到很好的制冷效果，限制了超导量子计算机规模的提升。
[n0004] (一)要解决的技术问题
[n0005] 本公开提供了一种超导量子计算机的系统架构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
[n0006] (二)技术方案
[n0007] 本公开的一个方面提供了一种超导量子计算机的系统架构。上述系统架构包括：温度可控的低温设备、超导量子处理器、低温电子功能单元、室温终端以及低温-室温通信链路。温度可控的低温设备用于提供不同区间的低温工作温度。超导量子处理器设置于低温设备内，工作于第一温度区间。低温电子功能单元设置于低温设备内，工作于第二温度区间，第二温度区间的最小值高于第一温度区间的最大值，或者，第二温度区间的最大值高于第一温度区间的最大值且第二温度区间与第一温度区间有重叠，低温电子功能单元用于为超导量子处理器的工作提供所需的信号。室温终端处于第三温度区间，第二温度区间的最大值小于第三温度区间的最小值。室温终端和低温电子功能单元通过低温-室温通信链路进行通信。
[n0008] 根据本公开的实施例，低温电子功能单元和室温终端至少之一用于进行信号处理，信号处理包括：将采集信号进行信号分析；以及根据信号分析的结果生成超导量子处理器的工作所需的新信号。
[n0009] 根据本公开的实施例，低温-室温通信链路包括：主电路，主电路为数字通信链路，用于实现数据传递和指令传递；以及辅助电路，辅助电路包括模拟通信链路和电源供应电路，用于在低温设备内传输准确的时钟信号和GHz量级的微波信号至少之一，以及在低温设备内实现供电传输。数字通信链路和模拟通信链路包括：信号收发部件以及用于信号传输的物理媒介。
[n0010] 根据本公开的实施例，信号收发部件分别处于第一温度区间，第二温度区间，第三温度区间，以及第二温度区间与第三温度区间之间的第四温度区间内；物理媒介连接于处于不同温度区间的信号收发部件之间，物理媒介为以下一种或其组合：金属线缆、电路板或者光纤。
[n0011] 根据本公开的实施例，低温-室温通信链路还包括：功能元件，功能元件用于实现以下功能至少一种：与低温设备之间进行热量传递；进行信号的放大或衰减，以实现信号收发部件之间的信号匹配。
[n0012] 根据本公开的实施例，室温终端用于接收用户指令，将用户指令编译为机器指令和数据，将机器指令和数据通过低温-室温通信链路下发至低温电子功能单元。
[n0013] 根据本公开的实施例，室温终端还用于接收低温电子功能单元反馈的数据结果，以及将所述数据结果存储和显示。
[n0014] 根据本公开的实施例，低温电子功能单元为超导量子处理器的工作提供所需的信号包括以下至少一种：设置量子比特状态的信号，读取量子比特状态所需的探测信号。
[n0015] 根据本公开的实施例，低温电子功能单元用于实现以下功能至少一种：
[n0016] 发出用于驱动量子比特的各种控制信号；
[n0017] 发出用于读取量子比特状态所需的探测信号；
[n0018] 采集量子比特状态对探测信号的响应信号；
[n0019] 对来自通信链路的指令进行解析与处理，以发出控制信号或探测信号；
[n0020] 对采集到的响应信号进行数据处理与计算；
[n0021] 基于数据处理与计算的结果而生成下一步操作的控制指令。
[n0022] 根据本公开的实施例，低温电子功能单元为：半导体工艺集成电路/ 芯片，或者，基于约瑟夫森结的超导电子功能线路/芯片。本公开中“/”的含义表示或者。
[n0023] (三)有益效果
[n0024] 从上述技术方案可以看出，本公开提供的超导量子计算机的系统架构，具有以下有益效果：
[n0025] (1)利用在低温区布置低温电子功能单元，a)可以大幅减少控制信号的传输距离，节省传输时间，为超导量子处理器的实时反馈控制、数据处理等操作节省大量时间，b)可以基于低温电子功能单元为超导量子处理器的工作提供信号，相较于现有架构而言可以大幅减少信号需要在室温侧到低温侧逐级衰减而浪费的大量能力，c)低温电子功能单元设置于低温设备内，在低温环境下工作的低温电子功能单元可以最大限度的降低热噪声；
[n0026] (2)在低温设备内部的线束是比较宝贵的资源，a)通过设置低温- 室温通信链路，基于数字通信链路作为主电路，实现大量控制指令与数据的传输，节省了现有架构中用于传递指令的模拟信号在室温-低温区之间的传递，降低了线路数量的资源消耗，b)辅助线路中模拟信号线路的设置也保证了一些无法在低温区产生或产生需要巨大功率的信号的提供问题； c)整体线路的数量有效减少，也将大幅减少系统漏热的情况。
[n0027] 图1为根据本公开一实施例所示的超导量子计算机的系统架构的示意图。
[n0028] 图2为根据本公开实施例所示的超导量子计算机的系统架构的应用场景示例。
[n0029] 【符号说明】
[n0030] 1-超导量子计算机的系统架构；
[n0031] 11-温度可控的低温设备；
[n0032] 12-超导量子处理器；
[n0033] 13-低温电子功能单元；
[n0034] 14-室温终端；
[n0035] 15-低温-室温通信链路；
[n0036] 152-功能元件。
[n0037] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[n0038] 本公开的一个示例性实施例提供了一种超导量子计算机的系统架构。
[n0039] 图1为根据本公开一实施例所示的超导量子计算机的系统架构的示意图。
[n0040] 参照图1所示，本公开超导量子计算机的系统架构1包括：温度可控的低温设备1l、超导量子处理器12、低温电子功能单元13、室温终端14 以及低温-室温通信链路15。
[n0041] 温度可控的低温设备11用于提供不同区间的低温工作温度。低温设备可以是低温恒温器，还可以是其他能够实现温度可控调节的设备，能够实现低温范围的温度，例如达到mK级别的温区。
[n0042] 超导量子处理器12设置于低温设备11内，工作于第一温度区间。本实施例中，第一温度区间为mK量级，例如，超导量子处理器12工作于 0.001K～0.1K的温度区间内。
[n0043] 低温电子功能单元13设置于低温设备11内，工作于第二温度区间，第二温度区间的最小值高于第一温度区间的最大值，或者，第二温度区间的最大值高于第一温度区间的最大值且第二温度区间与第一温度区间有重叠。低温电子功能单元13用于为超导量子处理器12的工作提供所需的信号。在图1中以双向箭头示意超导量子处理器12与低温电子功能单元 13之间的电学连接关系，以实现信号的传输。第二温度区间可以是1K～4.5K，可以取端点值。上述第二温度区间的范围可以变化，有的情况下第二温度区间与第一温度区间有交集。
[n0044] 根据本公开的实施例，低温电子功能单元13为超导量子处理器12的工作提供所需的信号包括以下至少一种：设置量子比特状态的信号，读取量子比特状态所需的探测信号。
[n0045] 根据本公开的实施例，低温电子功能单元13用于实现以下功能至少一种：
[n0046] 发出用于驱动量子比特的各种控制信号；
[n0047] 发出用于读取量子比特状态所需的探测信号；
[n0048] 采集量子比特状态对探测信号的响应信号；
[n0049] 对来自通信链路的指令进行解析与处理，以发出控制信号或探测信号；
[n0050] 对采集到的响应信号进行数据处理与计算；
[n0051] 基于数据处理与计算的结果而生成下一步操作的控制指令。
[n0052] 由低温电子功能单元发出用于读取量子比特状态所需的探测信号对超导量子处理器进行探测之后，产生量子比特状态对探测信号的响应信号，由低温电子功能单元进行采集。发出用于读取量子比特状态所需的探测信号的过程与采集量子比特状态对探测信号的响应信号的过程形成一个探测回路。
[n0053] 室温终端14处于第三温度区间，第二温度区间的最大值小于第三温度区间的最小值。室温终端和低温电子功能单元通过低温-室温通信链路进行通信。
[n0054] 根据本公开的实施例，低温电子功能单元13和室温终端14至少之一用于进行信号处理，信号处理包括：将采集信号进行信号分析；以及根据信号分析的结果生成超导量子处理器的工作所需的新信号。
[n0055] 图2为根据本公开实施例所示的超导量子计算机的系统架构的应用场景示例。
[n0056] 根据本公开的实施例，参照图2所示，示例性的，在一场景中，低温设备11为低温恒温器，该低温恒温器内的温度为77K，低温电子功能单元13所处的温度为4K，超导量子处理器12所处的温度为10mK。室温终端14处于室温环境内，为300K±5K。当然，上述温度区间或温度值仅作为示例，还可以具有一定程度的波动和变化，可以变化1％～5％。
[n0057] 低温-室温通信链路15包括：主电路，主电路为数字通信链路，用于实现数据传递和指令传递；以及辅助电路，辅助电路包括模拟通信链路和电源供应电路，用于在低温设备内传输准确的时钟信号和GHz量级的微波信号至少之一，以及在低温设备内实现供电传输。数字通信链路和模拟通信链路包括：信号收发部件以及用于信号传输的物理媒介。
[n0058] 参照图2所示，低温电子功能单元13可以通过数字模拟变换器(DAC) 和/或模拟数字变换器(ADC)进行信号的转换，并与超导量子处理器12 进行连接。超导量子处理器12与低温电子功能单元13之间可以通过模拟信号进行信号的传输。示例性的，低温电子功能单元13可以用于发出用于驱动量子比特的各种控制信号以及对采集到的比特状态信号进行逻辑处理。信号收发部件例如为图2所示例的输入输出模块(IO模块)，IO模块可以光电接口和/或纯电学接口。可以通过低温电子功能单元的IO模块与室温终端14的IO模块进行连接，以实现信号传输。
[n0059] 根据本公开的实施例，室温终端14用于接收用户指令，将用户指令编译为机器指令和数据，以及将机器指令和数据通过低温-室温通信链路下发至低温电子功能单元13。
[n0060] 根据本公开的实施例，室温终端14还用于接收低温电子功能单元反馈的数据结果，以及将数据结果存储和显示。
[n0061] 根据本公开的实施例，信号收发部件分别处于第一温度区间，第二温度区间，第三温度区间，以及第二温度区间与第三温度区间之间的第四温度区间内；物理媒介连接于处于不同温度区间的信号收发部件之间，物理媒介为以下一种或其组合：金属线缆、电路板或者光纤。
[n0062] 根据本公开的实施例，参照图2所示，低温-室温通信链路15还包括：功能元件152，功能元件152用于实现以下功能至少一种：与低温设备之间进行热量传递；进行信号的放大或衰减，以实现信号收发部件之间的信号匹配。例如功能元件152为热沉类接口连接器。
[n0063] 根据本公开的实施例，低温电子功能单元13可以是现有的半导体工艺集成电路/芯片，或者，也可以是新型的基于约瑟夫森结的超导电子功能线路/芯片，还可以是其他能够实现上述功能至少之一的电子器件。
[n0064] 本公开实施例的超导量子计算机的系统架构利用在低温区布置低温电子功能单元，一方面可以大幅减少控制信号的传输距离，节省传输时间，为超导量子处理器的实时反馈控制、数据处理等操作节省大量时间，还可以基于低温电子功能单元为超导量子处理器的工作提供信号，相较于现有架构而言可以大幅减少信号需要在室温侧到低温侧逐级衰减而浪费的大量能力；另一方面，低温电子功能单元设置于低温设备内，在低温环境下工作的低温电子功能单元可以最大限度的降低热噪声。
[n0065] 在低温设备内部的线束是比较宝贵的资源，通过设置低温-室温通信链路，基于数字通信链路作为主电路，实现大量控制指令与数据的传输，节省了现有架构中用于传递指令的模拟信号在室温-低温区之间的传递，降低了线路数量的资源消耗；辅助线路中模拟信号线路的设置也保证了一些无法在低温区产生或产生需要巨大功率的信号的提供问题；整体线路的数量有效减少，也将大幅减少系统漏热的情况。
[n0066] 本公开的第二个示例性实施例提供了一种超导量子计算机的系统架构的信息处理方法。上述处理方法包括以下操作：S21、S22、S23、S24 和S25。
[n0067] 在操作S21，室温终端接收用户指令，将用户指令编译为机器指令和数据，以及将机器指令和数据通过低温-室温通信链路下发至低温电子功能单元。
[n0068] 在操作S22，低温电子功能单元接收来自室温终端的指令和数据，并依据指令和数据为超导量子处理器的工作提供所需的信号。
[n0069] 在操作S23，超导量子处理器根据低温电子功能单元提供的信号进行工作。
[n0070] 在操作S24，低温电子功能单元读取超导量子处理器的量子比特状态，并将读取结果反馈给室温终端。
[n0071] 在操作S25，室温终端接收低温电子功能单元反馈的结果，并将结果显示和存储。
[n0072] 综上所述，本公开的实施例提供了一种超导量子计算机的系统架构及信息处理方法，通过在低温区布置低温电子功能单元，能够在节省低温设备内布线数量，大幅减少系统漏热；同时基于低温-室温通信链路实现信号在室温-低温侧的有效传输，节省了现有架构中用于传递指令的模拟信号在室温-低温区之间的传递，降低了线路数量的资源消耗，辅助线路中模拟信号线路的设置也保证了一些无法在低温区产生或产生需要巨大功率的信号的提供问题。
[n0073] 需要说明的是，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
[n0074] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
[n0075] 再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
[n0076] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

权利要求:
Claims (10)
[0001] 1.一种超导量子计算机的系统架构，其特征在于，包括：
温度可控的低温设备，用于提供不同区间的低温工作温度；
超导量子处理器，设置于所述低温设备内，工作于第一温度区间；
低温电子功能单元，设置于所述低温设备内，工作于第二温度区间，所述第二温度区间的最小值高于所述第一温度区间的最大值，或者，所述第二温度区间的最大值高于所述第一温度区间的最大值且所述第二温度区间与所述第一温度区间有重叠，所述低温电子功能单元用于为所述超导量子处理器的工作提供所需的信号；
室温终端，处于第三温度区间，所述第二温度区间的最大值小于所述第三温度区间的最小值；以及
低温-室温通信链路，所述室温终端和所述低温电子功能单元通过所述低温-室温通信链路进行通信。
[0002] 2.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于，所述低温电子功能单元和所述室温终端至少之一用于进行信号处理，所述信号处理包括：
将采集信号进行信号分析；以及
根据信号分析的结果生成超导量子处理器的工作所需的新信号。
[0003] 3.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于，所述低温-室温通信链路包括：
主电路，所述主电路为数字通信链路，用于实现数据传递和指令传递；以及
辅助电路，所述辅助电路包括模拟通信链路和电源供应电路，用于在低温设备内传输准确的时钟信号和GHz量级的微波信号至少之一，以及在低温设备内实现供电传输；
所述数字通信链路和所述模拟通信链路包括：信号收发部件以及用于信号传输的物理媒介。
[0004] 4.根据权利要求3所述的系统架构，其特征在于，所述信号收发部件分别处于所述第一温度区间，所述第二温度区间，所述第三温度区间，以及所述第二温度区间与所述第三温度区间之间的第四温度区间内；
所述物理媒介连接于处于不同温度区间的信号收发部件之间，所述物理媒介为以下一种或其组合：金属线缆、电路板或者光纤。
[0005] 5.根据权利要求3所述的系统架构，其特征在于，所述低温-室温通信链路还包括：功能元件，所述功能元件用于实现以下功能至少一种：
与所述低温设备之间进行热量传递；
进行信号的放大或衰减，以实现信号收发部件之间的信号匹配。
[0006] 6.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于，所述室温终端用于接收用户指令，将所述用户指令编译为机器指令和数据，将机器指令和数据通过所述低温-室温通信链路下发至低温电子功能单元。
[0007] 7.根据权利要求6所述的系统架构，其特征在于，所述室温终端还用于接收所述低温电子功能单元反馈的数据结果，以及将所述数据结果存储和显示。
[0008] 8.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于，所述低温电子功能单元为所述超导量子处理器的工作提供所需的信号包括以下至少一种：设置量子比特状态的信号，读取量子比特状态所需的探测信号。
[0009] 9.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于，所述低温电子功能单元用于实现以下功能至少一种：
发出用于驱动量子比特的控制信号；
发出用于读取量子比特状态所需的探测信号；
采集量子比特状态对探测信号的响应信号；
对来自通信链路的指令进行解析与处理，以发出控制信号或探测信号；
对采集到的响应信号进行数据处理与计算；
基于数据处理与计算的结果而生成下一步操作的控制指令。
[0010] 10.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于，所述低温电子功能单元为：
半导体工艺集成电路或芯片，或者，基于约瑟夫森结的超导电子功能线路或芯片。

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202120020301.6U|CN214335776U|2021-01-05|2021-01-05|超导量子计算机的系统架构|CN202120020301.6U| CN214335776U|2021-01-05|2021-01-05|超导量子计算机的系统架构|