量子计算机接口架构设计与研究
发布时间：2022-05-08 16:34
量子计算机利用量子叠加性和量子纠缠性可实现并行计算,具有超强的计算速度,量子计算机接口设计成为量子计算机能够应用的关键。本文就此问题,在介绍了量子力学、量子比特和超导量子比特的基础知识之上,探索了量子处理器件的基本编程方法,设计了量子处理器（quantum processing unit）与CPU之间的转换方案,并采用EDA工具对这一设计仿真,结果表明,本方案能够较好地实现量子处理器和CPU的数据传输能力,可以完成量子计算、CPU控制系统的任务。在量子力学的基础上,研究了由超导Josephson结构成的三种基本的超导量子比特的基本原理,并对三种超导量子比特的优劣势进行对比,在其基础上设计了由多个超导量子比特构成的超导量子位器件,详述了量子处理器的工作原理、量子位的实现、量子比特间的耦合和量子位的读取,并给出了数学推导。在此基础上,针对量子计算机高速的并行运算能力,本文提出了一种量子计算机接口架构设计方案,该方案将经典CPU和量子QPU连接到一起,由经典CPU完成系统的控制部分,而量子QPU完成量子计算。该方案大大降低了量子计算机的设计复杂度,具有性能优越、实现简单的优点。然后,探索了量...
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究的意义及方法
1.2 国内外研究现状
1.2.1 量子接口研究现状
1.2.2 量子计算机研究现状
1.3 本文研究的主要内容
第2章 量子基本理论
2.1 量子力学
2.2 量子比特
2.3 量子门和电路
2.4 量子纠缠
2.5 本章小结
第3章 超导量子位器件的设计与研究
3.1 Josephson效应
3.2 Josephson结的等效电路
3.3 基于电荷的约瑟夫森量子比特
3.4 基于磁通的约瑟夫森量子比特
3.5 基于相位的约瑟夫森量子比特
3.6 混合超导量子器件的设计与研究
3.7 本章小结
第4章 量子计算机接口架构设计
4.1 量子计算机接口架构设计
4.1.1 超导相位量子比特的读取
4.1.2 超导电荷量子比特的读取
4.1.3 超导量子比特耦合
4.2 量子处理元件局部编程
4.2.1 量子处理元件编程方法
4.2.2 解复用器对量子处理元件编程
4.3 量子隐形传态
4.4 本章小结
第5章 仿真及结果分析
5.1 仿真软件简介
5.2 量子计算设计流程
5.3 量子处理器QPU与CPU接口功能仿真及分析
5.3.1 量子计算机接口仿真及分析
5.3.2 异步FIFO仿真及分析
5.3.3 传统计算机接口仿真及分析
5.4 量子处理器QPU与CPU接口性能仿真及分析
5.4.1 QPU与CPU接口的数据识别概率
5.4.2 数据识别率与接口温区动态功耗
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
附录Ⅰ作者在攻读硕士学位期间发表的论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]以中国计划于2020年推出首台E级超算为例浅谈超级计算机在航空航天中的应用[J]. 齐辰. 中国战略新兴产业. 2018(08)
[2]Superconducting quantum bits[J]. 刘伟洋,郑东宁,赵士平. Chinese Physics B. 2018(02)
[3]新材料为芯片制造延续摩尔定律[J]. Jeff Dorsch. 集成电路应用. 2018(02)
[4]摩尔定律的终结与新型微电子器件的设计[J]. 王卓. 中国战略新兴产业. 2017(48)
[5]揭秘中国第一台量子计算机[J]. 大脸兔. 学苑创造（7-9年级阅读）. 2017(11)
[6]基于量子远程传态的无线自组织量子通信网络路由协议[J]. 张凤才,李旻,裴开鸿. 信息与电脑(理论版). 2017(20)
[7]基于超导电路系统的量子模拟研究[J]. 武艳玲. 安阳师范学院学报. 2017(05)
[8]未来的神算子——量子计算机[J]. 刘畅. 中学生数理化(八年级物理)(配合人教社教材). 2017(09)
[9]基于方程求解与相位估计攻击RSA的量子算法[J]. 王亚辉,张焕国,吴万青,韩海清. 计算机学报. 2017(12)
[10]Bidirectional multi-qubit quantum teleportation in noisy channel aided with weak measurement[J]. 杨光,廉保旺,聂敏,金娇. Chinese Physics B. 2017(04)
博士论文
[1]基于超导器件的量子信息处理和量子模拟研究[D]. 杜良辉.中国科学技术大学 2012
[2]基于约瑟夫结超导量子器件的量子现象研究[D]. 丛山桦.南京大学 2012
[3]几何量子计算和量子信息传输问题的研究[D]. 郝三如.西北大学 2003
硕士论文
[1]两种量子算法的改进与量子计算系统的设计[D]. 熊红梅.湖北工业大学 2017
[2]基于FPGA的8位嵌入式CPU设计[D]. 郑晶晶.杭州电子科技大学 2012
[3]超导量子干涉仪型量子比特实现与应用的研究[D]. 姬晓辉.西南交通大学 2010
本文编号：3651998
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究的意义及方法
1.2 国内外研究现状
1.2.1 量子接口研究现状
1.2.2 量子计算机研究现状
1.3 本文研究的主要内容
第2章 量子基本理论
2.1 量子力学
2.2 量子比特
2.3 量子门和电路
2.4 量子纠缠
2.5 本章小结
第3章 超导量子位器件的设计与研究
3.1 Josephson效应
3.2 Josephson结的等效电路
3.3 基于电荷的约瑟夫森量子比特
3.4 基于磁通的约瑟夫森量子比特
3.5 基于相位的约瑟夫森量子比特
3.6 混合超导量子器件的设计与研究
3.7 本章小结
第4章 量子计算机接口架构设计
4.1 量子计算机接口架构设计
4.1.1 超导相位量子比特的读取
4.1.2 超导电荷量子比特的读取
4.1.3 超导量子比特耦合
4.2 量子处理元件局部编程
4.2.1 量子处理元件编程方法
4.2.2 解复用器对量子处理元件编程
4.3 量子隐形传态
4.4 本章小结
第5章 仿真及结果分析
5.1 仿真软件简介
5.2 量子计算设计流程
5.3 量子处理器QPU与CPU接口功能仿真及分析
5.3.1 量子计算机接口仿真及分析
5.3.2 异步FIFO仿真及分析
5.3.3 传统计算机接口仿真及分析
5.4 量子处理器QPU与CPU接口性能仿真及分析
5.4.1 QPU与CPU接口的数据识别概率
5.4.2 数据识别率与接口温区动态功耗
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
附录Ⅰ作者在攻读硕士学位期间发表的论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]以中国计划于2020年推出首台E级超算为例浅谈超级计算机在航空航天中的应用[J]. 齐辰. 中国战略新兴产业. 2018(08)
[2]Superconducting quantum bits[J]. 刘伟洋,郑东宁,赵士平. Chinese Physics B. 2018(02)
[3]新材料为芯片制造延续摩尔定律[J]. Jeff Dorsch. 集成电路应用. 2018(02)
[4]摩尔定律的终结与新型微电子器件的设计[J]. 王卓. 中国战略新兴产业. 2017(48)
[5]揭秘中国第一台量子计算机[J]. 大脸兔. 学苑创造（7-9年级阅读）. 2017(11)
[6]基于量子远程传态的无线自组织量子通信网络路由协议[J]. 张凤才,李旻,裴开鸿. 信息与电脑(理论版). 2017(20)
[7]基于超导电路系统的量子模拟研究[J]. 武艳玲. 安阳师范学院学报. 2017(05)
[8]未来的神算子——量子计算机[J]. 刘畅. 中学生数理化(八年级物理)(配合人教社教材). 2017(09)
[9]基于方程求解与相位估计攻击RSA的量子算法[J]. 王亚辉,张焕国,吴万青,韩海清. 计算机学报. 2017(12)
[10]Bidirectional multi-qubit quantum teleportation in noisy channel aided with weak measurement[J]. 杨光,廉保旺,聂敏,金娇. Chinese Physics B. 2017(04)
博士论文
[1]基于超导器件的量子信息处理和量子模拟研究[D]. 杜良辉.中国科学技术大学 2012
[2]基于约瑟夫结超导量子器件的量子现象研究[D]. 丛山桦.南京大学 2012
[3]几何量子计算和量子信息传输问题的研究[D]. 郝三如.西北大学 2003
硕士论文
[1]两种量子算法的改进与量子计算系统的设计[D]. 熊红梅.湖北工业大学 2017
[2]基于FPGA的8位嵌入式CPU设计[D]. 郑晶晶.杭州电子科技大学 2012
[3]超导量子干涉仪型量子比特实现与应用的研究[D]. 姬晓辉.西南交通大学 2010
本文编号：3651998
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