用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构制造技术

本发明专利技术公开了一种用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构，包括：多个寄存器、数据总线、运算器、多个功能模块、指令缓存和指令解释器；指令缓存用于缓存发送至时序控制器的指令，并向指令解释器发送缓存的指令；指令解释器用于解析指令缓存发送的指令，并根据从指令中解析出的操作码确定指令的类型，根据指令的类型执行对应的指令处理流程；运算器用于根据指令解释器发送的算术指令对数据总线输出的数据进行算术或逻辑运算；多个功能模块用于通过指令解释器发送的动作指令执行除算术或逻辑运算、流程控制以外的其他功能。本发明专利技术实施例公开的用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构，能够满足复杂的量子计算实验控制的时序需求。时序需求。时序需求。

【技术实现步骤摘要】
用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构


[0001]本专利技术实施例量子技术，尤其涉及一种用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构。

技术介绍

[0002]量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。因此对量子计算的研究是计算领域的重要研究方向。
[0003]主流的实现量子计算的物理平台包括超导、离子阱、超冷原子、硅量子点以及核磁共振等等。在这些系统中，实际的量子计算方案实现都需要通过光、电等信号对这些系统的一些微观状态进行调控。这些调控操作的时间尺度通常在纳秒至微秒量级，且这些操作在时间上的不稳定和漂移会造成量子系统的退相干，降低操作的质量。此外，根据具体物理平台的不同，一个完整的量子计算实验系统通常需要包括信号源、探测器、激光器等等不同类型的设备，进行量子计算实验需要系统中的所有设备协同作用。
[0004]另外，与量子计算属于同一领域的量子精密测量、量子通信领域对实验系统的控制也有同样的需求。因此，一个量子物理实验系统需要一个时序控制器来协调控制不同的实验设备，同时其时间控制精度须达到纳秒量级。
[0005]但受限于现有的实验技术，当前的量子物理实验流程的结构都较为简单，不包含反馈、分支等复杂的逻辑结构，因而在时序控制方面一直没有一种成体系、成架构的解决方案，都是根据具体需要进行即时开发。但近年来新提出的一些量子纠错、量子机器学习等方案的实验实现就需要较为复杂的流程结构。这就要求时序控制器在保证高时间精度、高速度的同时，还要能够对实验数据进行实时处理，并相应的生成后续的控制方案。目前尚没有时序控制方案能满足这一要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构，提供了一种集流程控制、时序控制、设备通信和数据处理为一体的时序控制器架构，以满足复杂的量子计算实验控制的需求。
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供一种用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构，包括：多个寄存器、数据总线、运算器、多个功能模块、指令缓存和指令解释器；
[0008]指令缓存用于缓存发送至时序控制器的指令，并向指令解释器发送缓存的指令；
[0009]指令解释器用于解析指令缓存发送的指令，并根据从指令中解析出的操作码确定指令的类型，根据指令的类型执行对应的指令处理流程，指令的类型包括流控制指令、算术指令和动作指令；
[0010]多个寄存器用于存储数据，包括通用寄存器、只读寄存器和只写寄存器；
[0011]数据总线用于汇总、选择来自多个寄存器以及来自指令本身的数据；
[0012]运算器用于根据指令解释器发送的算术指令对数据总线输出的数据进行算术或逻辑运算；
[0013]多个功能模块用于通过指令解释器发送的动作指令执行除算术或逻辑运算、流程控制以外的其他功能。
[0014]在第一方面一种可能的实现方式中，指令解释器具体用于解析指令缓存发送的指令，得到指令中包含的操作码、操作数地址、目标地址、指令数据和动作标记。
[0015]在第一方面一种可能的实现方式中，当指令为流控制指令时，指令解释器中的流程控制器根据流控制指令和从数据总线读取的数据以及功能模块发送的流控制标记，计算指令指针，指令指针为下一条指令的地址，并将指令指针发送至指令缓存。
[0016]在第一方面一种可能的实现方式中，当指令为算术指令时，指令解释器向数据总线发送操作数地址，以使数据总线将算术指令所需操作数发送至运算器；并向运算器发送算术操作码；以及根据算术指令的目标地址令对应的寄存器写入使能生效，以使对应的寄存器存储运算器的运算结果。
[0017]在第一方面一种可能的实现方式中，当指令为动作指令时，指令解释器根据动作标记控制与动作标记对应的功能模块执行所需处理。
[0018]在第一方面一种可能的实现方式中，数据总线包括总线和多个数据选择器，总线用于汇总各寄存器以及指令本身的数据，多个数据选择器用于根据指令解释器输入的目标地址输出对应的数据。
[0019]在第一方面一种可能的实现方式中，运算器包括多个算术运算或逻辑运算单元、结果选择器，多个算术或逻辑运算单元根据数据总线输入的多个操作数进行算术或逻辑运算，结果选择器根据指令解释器输入的操作码对算术或逻辑运算结果进行选择输出。
[0020]在第一方面一种可能的实现方式中，每个功能模块用于根据指令解释器发送的动作标记和时序控制器的外部输入数据进行功能逻辑处理，并向时序控制器外部输出处理后的数据、向指令解释器输出流控制标记或者向只读寄存器写入处理后的数据；
[0021]所述只写寄存器用于存储功能模块的具体参数配置，所述只读寄存器用于存储功能模块处理后的数据。
[0022]在第一方面一种可能的实现方式中，多个功能模块包括计时模块、多通道TTL电平输出模块、输入/输出模块、门控计数模块、触发模块、缓存模块中的一种或多种的组合。
[0023]在第一方面一种可能的实现方式中，不同的功能模块逻辑上相互独立，可用相同或不同的时钟驱动。
[0024]本专利技术实施例提供的用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构，包括：多个寄存器、数据总线、运算器、多个功能模块、指令缓存和指令解释器；指令缓存用于缓存发送至时序控制器的指令，并向指令解释器发送缓存的指令；指令解释器用于解析指令缓存发送的指令，并根据从指令中解析出的操作码确定指令的类型，根据指令的类型执行对应的指令处理流程，指令的类型包括流控制指令、算术指令和动作指令，多个寄存器用于存储数据，包括通用寄存器、只读寄存器和只写寄存器；数据总线用于汇总、选择来自多个寄存器和指令本身的数据；运算器用于根据指令解释器发送的算术指令对数据总线输出的数据进行算术或逻辑运算；多个功能模块用于通过指令解释器发送的动作指令执行除算术或逻辑
运算、流程控制以外的其他功能，由于本申请实施例提供的用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构将时序控制器的具体功能封装为功能模块，与流控制逻辑分开，如此，计时模块可以单独使用高速时钟，流控制以及其它功能的复杂逻辑不会影响计时的时间分辨率，从而可以满足复杂的量子计算实验控制的时序控制需求。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例提供的一种用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构的结构示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例提供的用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构中指令解释器的结构示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例提供的用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构中数据总线的结构示意图；
[0028]图4为本专利技术实施例提供的用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构中运算器的结构示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例提供的用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构中功能模块的结构示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于量子物理实验平台的通用时序控制器架构，其特征在于，包括：多个寄存器、数据总线、运算器、多个功能模块、指令缓存和指令解释器；所述指令缓存用于缓存发送至所述时序控制器的指令，并向所述指令解释器发送缓存的指令；所述指令解释器用于解析所述指令缓存发送的指令，并根据从所述指令中解析出的操作码确定所述指令的类型，根据所述指令的类型执行对应的指令处理流程，所述指令的类型包括流控制指令、算术指令和动作指令；所述多个寄存器用于存储数据，包括通用寄存器、只读寄存器和只写寄存器；所述数据总线用于汇总、选择来自所述多个寄存器以及来自所述指令本身的数据；所述运算器用于根据所述指令解释器发送的算术指令对所述数据总线输出的数据进行算术或逻辑运算；所述多个功能模块用于通过所述指令解释器发送的动作指令执行除算术或逻辑运算、流程控制以外的其他功能。2.根据权利要求1所述的通用时序控制器架构，其特征在于，所述指令解释器具体用于解析所述指令缓存发送的指令，得到所述指令中包含的操作码、操作数地址、目标地址、指令数据和动作标记。3.根据权利要求2所述的通用时序控制器架构，其特征在于，当所述指令为流控制指令时，所述指令解释器中的流程控制器根据所述流控制指令和从所述数据总线读取的数据以及所述功能模块发送的流控制标记，计算指令指针，所述指令指针为下一条指令的地址，并将所述指令指针发送至所述指令缓存。4.根据权利要求2所述的通用时序控制器架构，其特征在于，当所述指令为算术指令时，所述指令解释器向所述数据总线发送操作数地址，以使所述数据总线将算术指令所需操作数发送至运算器；并向所述运算器发送算术操作码；以及根据所述算术指令...

【专利技术属性】
技术研发人员：张君华，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：