[发明专利]一种量子物理实验平台的实时测控系统架构

说明书

本发明提供一种量子物理实验平台的实时测控系统架构，涉及量子测控技术领域，包括：系统呈树状结构，由多个RTMQ节点构成；每个RTMQ节点包括微处理器、寄存器文件、外设模块和链路管理模块；其中微处理器可受指令控制进入挂起状态，而后受外设模块控制恢复运行；且各RTMQ节点可通过链路管理模块向其下级节点发送指令以对其进行控制。本发明提供的架构在同一微处理器上实现了通用计算和时序控制的结合，避免了二者之间的同步性问题；同时，该架构具有分布式处理能力和跨节点的即时反馈控制能力，具有良好的可扩展性。

技术领域

本发明涉及量子测控技术领域，特别涉及一种量子物理实验平台的实时测控系统架构。

背景技术

目前实时系统在医疗、加工、汽车等行业都有较多的应用，实时系统具有响应快、延迟短等特点，其响应延迟和计时精度通常在毫秒至微秒量级，这一精度已经能满足当前诸多传统行业的控制需求。现有的实时系统一般使用主频在数百MHz至GHz量级的通用微处理器或微控制器作为控制的主体，以计时器中断和时间片分配等方式实现实时控制。这一方案成立的前提在于，所需的时间控制精度与指令执行频率之间有3-6个数量级的差异，因而通用处理器架构中存在的一些诸如分支预判、乱序执行等导致指令执行顺序不确定的因素以及中断系统中存在的现场保护、控制权交接等额外开销导致的时间控制不确定性可以忽略不计。

然而近来随着量子技术的发展，量子物理实验系统也开始产生对数据处理、复杂流程控制和实时控制的需求。不同于传统行业，量子物理实验系统对时间控制的精度和分辨率的要求在纳秒量级、延迟要求在百纳秒至数十微秒量级，与当前微处理器的主频相当，从而前述的现有的实时控制方案难以满足需求。

因此早年在量子物理实验领域内，通常用FPGA(现场可编程门阵列)设计特定的时序脉冲发生器来产生高时间精度的脉冲序列，以此作为其它实验设备的触发信号，进行准确的时序控制。然而，这种方案的灵活性较差，只能产生预定的序列，无法在实验中对实验数据进行即时的处理，或根据实验的中间结果对后续的流程进行及时的调整。近年来随着量子算法的发展，实验方案越来越复杂，实验流程中开始包含快速反馈的结构，即在实验过程中对实验目标进行测量，获得一些中间结果，而后对中间结果进行计算和处理，并进而确定后续的实验流程。中间结果的处理和后续流程的确定，一般要求在数十纳秒至数十微秒量级的时间内完成，并且执行时刻必须要严格确定。这要求实验的测控系统具有通用计算的能力，简单的时序脉冲发生器无法满足这一要求。

当前领域内针对此问题的主要解决思路为，另置一与时序脉冲发生器紧密连接的通用微处理器，用来对实验数据进行即时处理和产生时序脉冲发生器的后续输出时序。这一方案能较好的满足系统规模较小且实验时序不太复杂的情形下的实时控制需求。然而，这一方案的问题之一在于，微处理器和时序脉冲发生器依然是相互独立的两个个体，而微处理器的执行时序有其内在不确定性；二者之间要保持同步，或者需要频繁地相互交换触发信号，或者需要在时序设计上预留出充足的余量以覆盖此不确定性的最坏情形，总之都会复杂化时序的设计并产生时间浪费。

这一方案的另一问题在于，当系统规模较大，一个时序脉冲发生器无法控制整个系统时，就需要同时使用多个时序脉冲发生器，而一个微处理器同时处理过多的实验数据、同时控制过多的时序脉冲发生器，将不可避免的产生拥塞，这会进一步加剧前述的同步性问题。而如果同时使用多个微处理器，则不同微处理器之间的同步性又将成为问题；当前主流的微处理器架构和指令集都是针对通用计算而优化的，主流的微处理器使用的通信协议都是针对高吞吐率而优化的，二者都难以实现精确的时序同步。

有鉴于此，本发明提供了一种新的量子物理实验平台实时测控系统架构，以解决上述不足。在本发明提供的架构中，通用计算和时序控制由同一微处理器实现，因此避免了两个独立的模块之间同步性的问题；同时树状结构的系统中每个节点都具有通用计算的能力，因此可以实现计算任务的分布式处理，避免了拥塞的问题。

发明内容