汪漫沈洁

(武汉商学院，湖北 武汉 430056)

一、引言

量子计算计算机可实现大规模复杂并行运算，这种优势是经典计算机无法超越的[1,2]。J.I.Cirac和P.Zoller于1995年首次提出了通过粒子质量分析器进行量子计算研究[3]。粒子质量分析器是一种基于交变电场的四极线型阱装置，利用静电场和射频场相结合，使带电粒子在超高真空环境中被约束在力学平衡点上像简谐振子一样来回运动，实现粒子的囚禁[4,5]。粒子质量过滤器的交变场主要由射频源提供，因此，射频源输出射频信号的幅度、稳定度与粒子的囚禁紧密相关，其体积功耗也是量子计算系统小型化重点关注的问题[6]。

传统的射频源采用商用信号发生器输出射频小信号，通过升压线圈升压，连接到线型阱的极杆上[7]。由于商用信号发生器体积较大，且运行功率较高，不利于小型化；与此同时，由于信号发生器输出信号功率较小，且线圈升压能力有限，无法获得较高电压幅度的射频信号。利用DDS技术能够获得正弦信号，替代传统射频源中的信号发生器，也减小了射频源的体积功耗，但设计过程较为繁琐[3]。本文提出了一种千伏以上高稳定度低功耗射频源的研制方案，其设计方法更加简单，体积功耗也进一步减小。

二、射频源的研制方案

本文提出的千伏以上高稳定度低功耗射频源，是一种基于数字器件与模拟器件相结合构成的电路，可以获幅值高且稳定的射频信号，体积功耗也远远低于传统射频源，其结构框图如图1所示。

图1 射频源结构框图

该射频源主要由数字模块和模拟模块两大部分组成。其中，数字模块包括：方波信号发生器和驱动器两个部分；模拟模块主要包括：功率放大器和升压器两个部分，两个模块组合实现射频信号的输出。数字器件一般具有信噪比好、稳定度高、功耗低等优良特性，利用数字电路与模拟电路结合研制射频源，较模拟射频源输出信号具有较高稳定度，且功耗更低。

射频源数字模块利用施密特触发器构成的多谐振荡器输出方波脉冲信号，斯密特触发器本身还具有对脉冲信号进行整形的作用，因此，在得到方波脉冲信号之后再次通过自身斯密特触发器通道对信号进行整形降噪处理输出；然后经MOS管驱动器提高信号驱动能力，以匹配后级模拟模块。

方波发生器电路原理图如图2所示。

图2 方波信号发生器

图2 所示方波信号发生器实质为斯密特触发器构成的多谐振荡器。当触发器电源接通时，施密特触发器输入为零，输出反相，为高电平；输出高电平信号通过电阻R返回输入端，对电容C充电；当输入端电压达到高电平阈值时，施密特触发器输出发生翻转，变为低电平；此时电容C开始放电，输入端电平逐渐下降，当输入端电压低于低电平阈值时，触发器输出再次发生翻转，如此循环，输出振荡的脉冲方波信号。施密特触发器输入、输出端对应波形如图3所示。

图3 施密特触发器输入、输出波形

斯密特触发器构成的多谐振荡器振荡周期公式为：

根据公式（1）及施密特触发器典型参数可推算方波发生器输出脉冲频率为：

此处，R为精密可调电阻，能够调节方波发生器输出脉冲信号频率。

射频源的模拟模块为甲乙类推挽功率放大器连接升压器构成。使用甲乙类推挽功率放大器既能直接对方波信号进行的功率放大，获得高效率的交变信号，又能避免信号的交越失真。交变信号由自制线圈升压器进一步升压，与此同时，通过微调数字模块中的电阻R使得脉冲信号频率与升压线圈谐振频率一致，从而将射频交变信号电压幅度升至千伏以上。

三、射频源的性能测试

根据设计的电路，经行了相关性能测试。

图4 方波输出信号

图5 测试端输出交变信号

如图4和图5分别为由集成化数字电路结合模拟电路组成的射频源数字模块和模拟模块输出的测试信号。从图4可以看出，数字模块能够输出波形较好的方波脉冲信号，测试的频率约为1.4MHz（实际可调范围0.5-10MHz）；模拟模块输出的交变信号电压幅值在千伏量级，因此对信号进行十倍分压，得到测试端输出信号如图5所示，输出的射频信号电压幅值在（0-2000）V范围内可调，具有较高的稳定度。由于其升压线圈为手工绕制，谐振频率无法做到精确可调，只能凭借绕制经验增减线圈圈数，粗略改变频率，然后通过调节多谐振荡器输出脉冲信号频率，实现谐振。为了验证信号是否符合预期，对射频源输出信号进行了稳定性测试。

稳定度公式可表示为：

其中，xi表示采样数据，n为采样点数，x为n个采样数据的平均值。

测试结果通过稳定性分析如下：

图6 幅度稳定度趋势线

图7 频率稳定度趋势线

图6 和图7为测试端信号的稳定度测试情况，可以看出，研制的射频源在长期运行的情况下，输出信号的幅度以及频率都趋于稳定；经过计算，其幅度和频率的万秒稳定度分别为0.267%、0.443%，其体积约为0.1 L，功耗仅3.5W。

四、结论

本文以量子计算线型阱为研究背景，研制了一种千伏以上高稳定度低功耗的射频源。该射频源在信号发生器模块利用精简的数字器件代替复杂的模拟器件，降低了装置体积功耗，且提高了电路可靠性。从测试结果可以看出，研制的射频源不仅能够输出千伏以上的交变信号，且能够长期稳定的运行。与此同时，该射频源还具有体积小、功耗低等优异性能。