用于量子计算机的指令处理系统、方法及量子计算机与流程

本申请涉及量子计算领域，特别是涉及一种用于量子计算机的指令处理系统、方法及量子计算机。

背景技术：

1、量子芯片为运行量子计算的核心部件，量子芯片上集成有多个量子位，例如半导体量子芯片上的自旋量子比特。其中，采用直流信号和脉冲信号对自旋量子比特进行操控，并采用射频信号对自旋量子比特进行测量。

2、采用脉冲信号对自旋量子比特进行两比特门操控时，对脉冲信号的精度要求要求非常高，脉冲周期通常在纳秒级，例如，脉冲信号周期小于100ns的波形。此外，两比特门操控对应的脉冲信号各种各样，每一个脉冲信号的脉冲幅度和脉冲周期都不同，具体需要根据待执行的量子计算任务确定。可以想象的是，在一个量子计算任务中，需要在自旋量子比特上施加若干个不同的高精度脉冲信号；且为了确保量子计算任务的结果准确性，通常会重复执行几千甚至上万次的操控，而且重复操作的时间间隔也是不等的；在具体操控时，需要将所有操控的脉冲信号组合为一个组合脉冲信号施加至自旋量子比特进行操控。

3、在现有技术中，通常采用上位机接收量子计算任务，并根据量子计算任务确定需要施加在各自旋量子比特上的脉冲信号的波形，并将波形数据下发至下位机，存储在下位机中，下位机根据波形数据输出对应的脉冲信号；其中，下位机通常采用量子测控系统。如上所述，操控量子比特的脉冲信号各种各样，各脉冲信号的波形参数也不相同，每个波形参数都需要下发；而且有些波形为组合脉冲信号，波形的数据量非常大，在下发时非常耗时间，存储在量子测控系统时也非常占用内存。

4、此外，这种波形数据采用预存储的方式，无法实时的调整，当需要调整脉冲信号时，需要上位机对脉冲信号的波形数据进行更新并重新下发至下位机，且受数据下发的时间影响，直接降低了量子计算的计算效率。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种用于量子计算机的指令处理系统、方法及量子计算机，以解决现有技术中因脉冲信号的波形数据量大导致下发至下位机占用内存且传输慢影响量子计算的计算效率的问题，能够大幅提升量子计算的计算效率。

2、为解决上述技术问题，本申请一方面提供一种用于量子计算机的指令处理系统，用于输出操控自旋量子比特的脉冲信号的波形数据，包括：

3、状态启动模块，用于依据上位机发送的波形参数指令发送数据输出请求；其中，所述波形参数指令包括脉冲信号波形的波形系数；

4、数据生成模块，用于响应所述数据输出请求并依据所述波形系数生成脉冲信号波形的完整周期的波形数据并输出。

5、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，所述数据生成模块每个时钟周期输出第一数量的波形数据。

6、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，所述第一数量等于信号生成模块的采样率与所述数据生成模块的工作时钟频率的商，其中，所述时钟周期与所述工作时钟频率为导数关系；所述信号生成模块用于根据波形数据输出对应的脉冲信号。

7、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，所述波形系数包括脉冲信号波形的上升沿的起始幅值、幅值增量、及波形数据总量。

8、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，各波形数据均根据所述起始幅值、所述幅值增量、当前波形数据总量确定。

9、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，当前波形数据总量根据所述第一数量、计数值确定；其中，所述计数值用于计数所述数据生成模块的工作时钟周期。

10、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，还包括计时模块，用于在所述数据生成模块每增加一个时钟周期时计数值加一。

11、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，还包括数据判断模块，用于依据所述波形数据总量以及所述第一数量判断是否需要补充采样点数据。

12、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，当所述波形数据总量与所述第一数量的商为整数时，直接输出所述波形数据。

13、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，当所述波形数据总量与所述第一数量的商包含余数时，补齐余数至所述第一数量，并输出补齐后的波形数据。

14、如上所述的用于量子计算机的指令处理系统，优选的，所述状态启动模块、所述数据生成模块、所述数据判断模块均为集成于fpga内的功能模块。

15、本申请另一方面提供一种用于量子计算机的指令处理方法，用于输出操控自旋量子比特的脉冲信号的波形数据，包括：

16、依据上位机发送的波形参数指令发送数据输出请求；其中，所述波形参数指令包括脉冲信号波形的波形系数；

17、响应所述数据输出请求并依据所述波形系数输出对应的波形数据。

18、本申请另一方面提供一种用于量子计算机的量子控制系统，包括任一项上述的指令处理系统、上位机系统、及信号生成系统；

19、所述上位机系统用于接收量子计算任务并下发对应的波形参数指令；

20、指令处理系统用于依据所述波形参数指令输出脉冲信号的波形数据；

21、所述信号生成系统用于依据所述波形数据输出对应的脉冲信号；或

22、采用上述的指令处理方法输出脉冲信号的波形数据。

23、本申请另一方面提供一种量子计算机，包括上述的量子控制系统和量子处理器，所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的脉冲信号执行量子计算。

24、与现有技术相比，本申请提供的用于量子计算机的指令处理系统，用于操控半导体量子处理器上的自旋量子比特，上位机将波脉冲信号波形的系数以波形参数指令的形式下发至指令处理系统，由指令处理系统内的状态启动模块启动波形参数指令的转换工作，再由数据生成模块执行具体的波形系数转换工作，根据波形系数生成脉冲信号波形的完整周期的波形数据并输出。通过在下位机的指令处理系统生成各种脉冲信号波形的波形数据，避免上位机下发各脉冲波形的完整波形数据，大大减小了上位机模块发送的数据量，提高了量子计算效率。

25、本申请提供的用于量子计算机的指令处理方法、量子控制系统和量子计算机，与用于量子计算机的指令处理系统属于同一申请构思，因此具有相同的有益效果，在此不再赘述。

26、附图说明

27、图1为本申请实施例提供的一种组合脉冲波形的示意图；

28、图2为本申请实施例提供的一种用于量子计算机的指令处理系统的组成示意图1；

29、图3为本申请实施例提供的一种用于量子计算机的指令处理系统的组成示意图2；

30、图4为本申请实施例提供的一种用于量子计算机的指令处理系统的组成示意图3；

31、图5为本申请实施例提供的一种用于数据生成模块生成的波形数据的示意图；

32、图6为本申请实施例提供的一种用于量子计算机的指令处理方法的流程图；

33、图7为本申请实施例提供的一种量子控制系统的组成示意图。

技术特征：

1.用于量子计算机的指令处理系统，用于输出操控自旋量子比特的脉冲信号的波形数据，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，所述数据生成模块每个时钟周期输出第一数量的波形数据。

3.根据权利要求2所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，所述第一数量等于信号生成模块的采样率与所述数据生成模块的工作时钟频率的商，其中，所述时钟周期与所述工作时钟频率为导数关系；所述信号生成模块用于根据波形数据输出对应的脉冲信号。

4.根据权利要求2所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，所述波形系数包括脉冲信号波形的上升沿的起始幅值、幅值增量、及波形数据总量。

5.根据权利要求4所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，各波形数据均根据所述起始幅值、所述幅值增量、当前波形数据总量确定。

6.根据权利要求5所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，当前波形数据总量根据所述第一数量、计数值确定；其中，所述计数值用于计数所述数据生成模块的工作时钟周期。

7.根据权利要求6所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，还包括计时模块，用于在所述数据生成模块每增加一个时钟周期时计数值加一。

8.根据权利要求4所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，还包括数据判断模块，用于依据所述波形数据总量以及所述第一数量判断是否需要补充采样点数据。

9.根据权利要求8所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，当所述波形数据总量与所述第一数量的商为整数时，直接输出所述波形数据。

10.根据权利要求8所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，当所述波形数据总量与所述第一数量的商包含余数时，补齐余数至所述第一数量，并输出补齐后的波形数据。

11.根据权利要求8所述的用于量子计算机的指令处理系统，其特征在于，所述状态启动模块、所述数据生成模块、所述数据判断模块均为集成于fpga内的功能模块。

12.一种用于量子计算机的指令处理方法，用于输出操控自旋量子比特的脉冲信号的波形数据，其特征在于，包括：

13.一种用于量子计算机的量子控制系统，其特征在于，包括如权利要求1－11任一项所述的指令处理系统、上位机系统、及信号生成系统；

14.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求13所述的量子控制系统和量子处理器，所述量子处理器基于所述量子控制系统输出的脉冲信号执行量子计算。

技术总结
本申请公开了一种用于量子计算机的指令处理系统、方法及量子计算机，用于输出操控自旋量子比特的脉冲信号的波形数据，指令处理系统包括：状态启动模块，用于依据上位机发送的波形参数指令发送数据输出请求；其中，所述波形参数指令包括脉冲信号波形的波形系数；数据生成模块，用于响应所述数据输出请求并依据所述波形系数生成脉冲信号波形的完整周期的波形数据并输出。本申请在下位机中采用波形系数生成脉冲信号的波形数据，可以解决脉冲信号的波形数据量大下发至下位机占用内存且传输慢影响量子计算的计算效率的问题，能够大幅提升量子计算的计算效率。

技术研发人员：请求不公布姓名,孔伟成
受保护的技术使用者：本源量子计算科技（合肥）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5