铸就量子未来：根据模块化标准进行控制系统设计

在量子计算系统中，控制单元在简化量子比特操作和控制方面至关重要。控制单元设计精密，可确保量子计算处理和结果的完整性和准确性。为了实现高效操作，工程师需要使用毫秒级低延迟机箱（包括交换机和中央处理器 (CPU) 端口）。还需要精密时钟、噪音低的电子器件、可跨多个板有效同步，以及能够随量子比特数量的增加而扩展。

说到构建此类量子计算控制系统，从自己了解的东西开始是人的天性。然而，许多工程师最终都是自己闭门造车，往往不相信现有平台可以用作坚实的设计基础。本文讲述考虑将开放标准系统用于量子计算控制单元的优势。

大学的量子计算专家往往具有深厚的理论知识，但在工业实施方面却经验不足。概念验证通常使用实验室中的现有设备进行，并进行手动布线。这可能适用于原型制作，但并不适用于大规模商业运营。拥有其他物理领域经验的量子计算研究专家可能了解精细控制和测量技术，但可能并不精通广泛的可用技术。无论哪种情况，许多工程师最终都是在量子计算控制系统设计中自己闭门造车，往往不相信现有平台可以用作坚实的设计基础。

模块化量子计算控制平台：基于预先制定的标准构建

先进电信计算架构 (AdvancedTCA) 和微电信计算架构 (MicroTCA) 是模块化开放标准，适用于大规模科学研究和开发。最初，AdvancedTCA 和 MicroTCA 专用于电信应用领域中的大量数据传输。现在，MicroTCA 的应用范围已经扩展，可为粒子加速器中的束流控制提供更强的板同步和更高的时钟测量精度。正是物理学界推动了后转换模块的实施以及数字电路和模拟电路的分离。采用 PXIe 的应用就绪精密测试与测量 (T&M) 系统同样有助于在大学电子和模拟实验室中实施此类应用。

虽然粒子加速是一个不同的应用领域，但使用 MicroTCA 或 AdvancedTCA 等系统进行设计为可扩展的量子计算控制设计提供了一种思路；已经有标准传输协议（例如，PCI Express、以太网、Serial RapidIO (SRIO)），这些协议延迟低、数据传输速率高。该技术框架已预先定义，并采用了关于电源、冷却和电磁兼容性 (EMC) 噪声的通用标准。此外，它们符合 CE 和 UL 等认证要求，采用标准板卡规格，并提供明确的互操作性。有了完善的基准，工程师可以调整或删除量子计算控制单元不需要的功能。

PXIe 为最初用于实现并行同步测量的时钟和触发器提供了附加功能。考虑到现有粒子束同步要求，MicroTCA 的时钟实施比较复杂。在模块化开放标准平台上进行选择和构建可以使用预先确定的整体方法。所有此类平台都注重协议、数据速度、插槽间的通信、每个插槽的功率、插槽数量、尺寸规格等。关键是需要确定这些平台之间的差异以及根据您的独特应用需求所需进行的修改。经验丰富的电子封装合作伙伴能够为您提供此类评估支持。

表 1：19 英寸系统的 PXIe、MicroTCA 和 AdvancedTCA 比较

在时钟同步以及每节点所连接设备数量方面，量子计算控制系统的要求通常高于模块化开放标准系统的要求。要达到要求，需要先采取以下操作：

• 删除 MicroTCA 和 AdvancedTCA 内置的冗余功能，实施附加信号
• 添加更精确的时钟源 (PXIe)
• 在一个系统中增加板数量
• 增大板尺寸（高度和深度）
• 增大板宽以容纳更大的散热片

我们可以看到技术参数发生了改变，以达到粒子加速器的特定要求，我们预计未来量子计算控制系统也会发生同样的改变。目前，开放标准系统应该是量子计算控制系统的考虑因素之一，因为其可用作坚实且可行的设计基础。离标准越远，与量子计算机核心功能无关的工程工作就越多。

下载白皮书