高速多通道量子符合分析仪的研制

摘要

近年来，量子信息科学已经成为物理学和信息学界关注的焦点。在量子信息科学的基础研究和应用研究中，符合测量起着重要的作用。 在中国科学院量子信息重点实验室的量子信息实验研究中，急需一种新型的量子符合测量装置。然而，目前从国际市场上购买的量子符合测量装置都是常规符合测量装置，存在输入通道数有限、不能保存测量数据、无法对数据进行分析、符合测量灵活性差、升级困难等不足。为了解决上述问题，本文研制了高速多通道量子符合分析仪。 本文研制的高速多通道量子符合分析仪采用高速发射极耦合逻辑(ECL)电路，当任意通道有输入信号时，高速输入与控制逻辑电路从输入通道的起始有意义信号中提取锁存使能和时钟控制信号，经过合理的时序逻辑控制，将多通道之间所有可能的单一和符合事件锁存并转换后写入同步先进先出(FIFO)缓存器，然后利用现场可编程门阵列(FPGA)在定时时间内读取同步FIFO缓存器的数据，执行数据预处理，最后通过高速USB接口将预处理后的数据传送到主机，设计主机应用程序实现符合测量的实时监视以及数据的后处理。 本文研制的高速多通道量子符合分析仪具有以下特点：输入通道数灵活，最多支持16通道；保存测量数据，便于数据分析；定时精度高，最小定时时间可达20ns，定时时间可编程：测量速度高，输入信号允许的最高突发速率达82MHz，符合测量的平均速度达12.5M事件/s：允许任意输入通道之间的延迟为2ns，最小符合时间窗口为6ns；2个实时通道监视，监视的符合组合可任意选择；易于扩展输入通道数和实时通道监视，可通过升级FPGA提高符合测量的速率和定时精度，数据分析可自定义。 本文研制的高速多通道量子符合分析仪已经成功应用于中国科学院量子信息重点实验室的两个课题组的实验研究中。有理由相信，该符合分析仪，或者基于相同原理的类似仪器将成为众多量子信息研究领域中的必要装置，有力促进量子信息科学的发展。

目录

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英文文摘

声明

第一章绪论

1.1量子信息学概述

1.1.1量子信息基础

1.1.2量子通信

1.1.3量子计算

1.2符合测量

1.2.1符合测量的基本概念

1.2.2符合测量的重要意义

1.2.3常规符合测量装置存在的不足

1.3本文安排和概要

第二章高速多通道量子符合分析仪的相关技术

2.1 ECL集成电路

2.1.1 ECL电路的结构与工作原理

2.1.2 ECL电路的电源

2.1.3 ECL电路的负载

2.1.4 ECL电路的特性与应用范围

2.2现场可编程门阵列(FPGA)

2.2.1 FPGA的基本结构

2.2.2 FPGA设计流程

2.2.3基于多种EDA工具的FPGA设计

2.2.4硬件描述语言(HDL)

2.3通用串行总线(USB)

2.3.1 USB的数据传输模式

2.3.2 USB系统的分层结构

2.3.3 USB开发流程

第三章高速多通道量子符合分析仪的实现

3.1系统设计原理

3.1.1系统设计思路

3.1.2系统工作原理

3.2高速多通道量子符合分析仪的硬件设计

3.2.1高速输入与控制逻辑设计

3.2.2同步FIFO接口设计

3.2.3 ECL模块时序分析

3.2.4 FPGA接口设计

3.2.5 USB接口设计

3.2.6 PCB设计

3.3高速多通道量子符合分析仪的软件设计

3.3.1 FPGA程序设计

3.3.2 USB固件程序设计

3.3.3 USB驱动程序与主机应用程序设计

第四章实验测试与性能分析

4.1测试仪器

4.1.1 SP-F120型数字合成信号发生器

4.1.2 935型恒比定时器

4.1.3 425A型纳秒延迟器

4.1.4 TDS3054B型数字荧光示波器

4.2无交错符合测试

4.2.1测试方案

4.2.2测试结果与分析

4.3交错符合测试

4.3.1测试方案

4.3.2测试结果与分析

4.4其它测试与性能分析

第五章总结与展望

5.1工作总结

5.2展望

参考文献

附录

致谢

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