超导量子计算系统一体化降噪装置

1.本实用新型涉及量子计算机工作环境技术领域，特别涉及一种超导量子计算系统一体化降噪装置。


背景技术：

2.目前量子计算机正处于初级发展阶段，量子比特正常运行所需要的硬件环境庞大且繁杂。以超导量子计算机为例，计算系统所使用的设备包括了量子芯片、低温线路与器件、稀释制冷机、测控设备、ups电源以及其他辅助设备。每一项设备都需要较大的场地，尤其是稀释制冷机。所以，超导量子计算系统的运行需要占用大量面积的实验环境、使用众多的仪器设备、花费较高的维护成本。除此之外，超导量子计算系统对环境高度敏感。例如，超导量子计算机的处理器必须在极低温(《20mk)状态下进行，以保证超导量子态的量子相干性。在运行过程中还会受到外部噪声和内部噪声的影响。量子计算系统中的外部噪声可能来自控制电子或杂散磁场；内部噪声可能来自其他不受控制的量子系统，例如材料杂质。阻止我们现在拥有大规模量子计算机的障碍之一就是噪音问题，减少噪声影响是量子计算机发展中的一个主要焦点，是全球各地科学家在迈进量子计算新时代所面临的挑战。
3.目前国内各研究团队的超导量子计算机以及配套设备还处在一种松耦合阶段，构成量子计算机的各部分组件比较分散的分布于多个区域和实验室，通过线缆进行物理连接，未进行高密度的集成化封装。这种整体上松耦合的结构，对于需要高密度物理环境的各类设备十分不利,需要进一步对整机所需物理环境进行优化和集成。超导量子芯片被放置在极低温环境中，但是极低温以及热沉仅仅是支持量子芯片工作的基本条件，它不能消除所有环境噪声的影响。环境噪声，指的是包含热噪声、电器噪声、红外辐射噪声、磁场噪声、机械振动噪声等在内的任意形式的光、声、电的波动，它会导致有效信息被淹没在因光、声、电的波动而产生的无效信息中。绝大多数环境噪声，依然以红外辐射以及磁场辐射的形式存在，并且随机地干扰量子芯片中保存的量子信息。因此需要引入更多的屏蔽措施，以降低噪声对于量子比特的影响。


技术实现要素：

4.为此，本实用新型提供一种超导量子计算系统一体化降噪装置，既对量子计算机系统中的各部分重要设备做到高度集成，且能够兼顾屏蔽各种干扰信号频段，保障超导量子计算机工作环境的稳定性。
5.按照本实用新型所提供的设计方案，一种超导量子计算系统一体化降噪装置，包含：模块化机房，所述模块化机房按不同功能划分为多个不同物理属性空间仓位；所述模块化机房内设置有用于对多个不同物理属性空间仓位降温处理的制冷机，制冷机四周及制冷机送风管道均设置用于降噪处理的吸音棉；所述多个不同物理属性空间仓位至少包含相互之间物理隔离且通过集中布线进行数据交互的量子仓、测控仓、外设仓和经典计算仓。
6.作为本实用新型超导量子计算系统一体化降噪装置，进一步地，模块化机房外立
面板材及板材组装用构件均采用无磁金属材质，各空间仓位仓壁框架及仓位支撑架均采用无磁金属材质，且各仓壁框架外侧设有吸音屏蔽材料。
7.作为本实用新型超导量子计算系统一体化降噪装置，进一步地，外立面板材表面涂有增强屏蔽层。
8.作为本实用新型超导量子计算系统一体化降噪装置，进一步地，吸音屏蔽材料包含防火隔音板、屏蔽铜板及包裹两者的屏蔽网。
9.作为本实用新型超导量子计算系统一体化降噪装置，进一步地，所述屏蔽网采用由纯紫铜丝编织且密度为200目的高目网。
10.作为本实用新型超导量子计算系统一体化降噪装置，进一步地，仓位支撑架上设置铝型板材支撑主骨架，该铝型板材支撑主骨架上填充有阻燃隔音材料，并在阻燃隔音材料外表面附有电磁屏蔽布。
11.作为本实用新型超导量子计算系统一体化降噪装置，进一步地，电磁屏蔽布采用由尼龙或聚酯纤维所构成的金属纤维纺织布，且在尼龙或聚酯纤维表面涂覆有防氧化金属层。
12.作为本实用新型超导量子计算系统一体化降噪装置，进一步地，所述防氧化金属层包含使用导电铜形成的底层和使用防氧化镍金属形成的表面层。
13.本实用新型的有益效果：
14.本实用新型结构简单，设计科学、合理，利用一体化模块机房实现基于现阶段构成超导量子计算系统的各组件进行整体封装，将各组成部件集成封装在模块化机房中，并对机房内部按功能进行空间划分，按照不同物理属性分为量子仓、测控仓、外设仓和经典仓等，优化空间布局和线缆排布，屏蔽设备及周边环境产生的红外、电磁等各类辐射，抑制各类信号的串扰，减少各类噪声的影响，优化信号传输质量，提升整机工作效率，具有较好的应用前景。
15.附图说明：
16.图1为实施例中超导量子计算系统一体化降噪装置结构示意；
17.图2为实施例中不同物理属性空间仓位数据交互线缆排布示意。
18.图中标号，标号1代表经典计算仓，标号2代表量子仓，标号3代表测控仓，标号4代表控制柜，标号5代表冷阱，标号6代表制冷机。
19.具体实施方式：
20.下面结合附图和技术方案对本实用新型作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本实用新型的实施方式，但本实用新型的实施方式并不限于此。
21.本实用新型实施例，参见图1和2所示，提供一种超导量子计算系统一体化降噪装置，包含：模块化机房，所述模块化机房按不同功能划分为多个不同物理属性空间仓位；所述模块化机房内设置有用于对多个不同物理属性空间仓位降温处理的制冷机6，制冷机四周及制冷机送风管道均设置用于降噪处理的吸音棉；所述多个不同物理属性空间仓位至少包含相互之间物理隔离且通过集中布线进行数据交互的量子仓2、测控仓3、外设仓和经典计算仓1。
22.通过各组成部件集成封装在模块化机房中以及各类优化，屏蔽设备及周边环境产生的红外、电磁等各类辐射，抑制各类信号的串扰，从而减少各类噪声的影响，优化信号传
输质量，利用制冷机6、与制冷机6连接的冷阱5及控制柜4能够保证超导计算机系统工作环境温度，进一步提升整机工作效率，既对量子计算机系统中的各部分重要设备做到高度集成，且也能够兼顾屏蔽各种干扰信号频段，防止信号串扰，提升超导量子计算机系统工作稳定性。
23.作为本实用新型实施例中超导量子计算系统一体化降噪装置，进一步地，模块化机房外立面板材及板材组装用构件均采用无磁金属材质，各空间仓位仓壁框架及仓位支撑架均采用无磁金属材质，且各仓壁框架外侧设有吸音屏蔽材料。进一步地，外立面板材表面涂有增强屏蔽层。进一步地，吸音屏蔽材料包含防火隔音板、屏蔽铜板及包裹两者的屏蔽网。进一步地，所述屏蔽网采用由纯紫铜丝编织且密度为200目的高目网。进一步地，仓位支撑架上设置铝型板材支撑主骨架，该铝型板材支撑主骨架上填充有阻燃隔音材料，并在阻燃隔音材料外表面附有电磁屏蔽布。进一步地，电磁屏蔽布采用由尼龙或聚酯纤维所构成的金属纤维纺织布，且在尼龙或聚酯纤维表面涂覆有防氧化金属层。进一步地，所述防氧化金属层包含使用导电铜形成的底层和使用防氧化镍金属形成的表面层。
24.由于稀释制冷机部分设备噪音过大、量子测量系统信号线缆长度限制等原因，系统空间布局存在诸多限制因素和特殊要求，稀释制冷机配置的空气压缩机噪声较大，可单独放置在一个房间，尽量与测控等外设分开放置，并对该房间进行隔音处理；量子芯片对震动敏感度较高，除稀释制冷机需要减震设施外，可将稀释制冷机支架与人员经过区域隔离，在制冷机与ghs系统连接管道以及测控仓顶部和四周用隔离音棉进行降噪处理。
25.量子仓：为大幅降低信号（噪声，电磁信号）干扰，机仓壁可采用铝制无磁金属材质作为框架材料，通过制冷机上配备的智能电控减震系统，可同时加入防震脚垫对稀释制冷机进行减震处理。测控仓：测控仓和下方量子仓可进行物理隔离，仓体结构和量子计算机主机支架可采用分离式设计，机仓壁可采用铝合金和紫铜等无磁金属材质；进一步为隔绝振动，避免泵中的振动传入，制冷机和外设连接的管道可设置为悬空，不接触仓体，将管道悬空在测控仓上部，在管道外包裹吸音棉。外设仓：仓内存放ghs系统和真空泵等设备，仓内噪音大，且产生热量，该仓需要控制噪音，以免干扰量子仓的工作，对仓壁的处理可以隔音为主，同时屏蔽各种电磁信号干扰；仓壁建造可使用吸音和屏蔽材料，将大量电磁噪声封闭在仓内，同时通过安装专用空调冷风通道，维持仓内恒温恒湿。经典仓：主要放置与量子计算机配套使用的上位机等经典设备，舱内通过设置空调冷风通道来维持保证室内恒温恒湿，以满足电子信息设备的使用要求。
26.模块化机房机仓的材料选择方面要排除任何可以产生磁场的材质(例如：铁质和钢制的材料不可使用)，本案实施例中通过定制合金制品和钢制构件，大幅降低了可能带来的磁场辐射干扰，有效提高了机仓噪声屏蔽。其中，机仓的外立面可采用增强型铝合金板材(厚度3mm,铝含量98.8%)，电导率为60%，高于大部分金属，且不含磁性，基于铝制板材加工的成熟工艺，板材表面厚度均匀，表面喷涂氟碳漆，可增强屏蔽效果。屏蔽网由纯紫铜丝编织制成，密度为200目，具有良好的导电和屏蔽性能，可用于包裹仓体内部的防火隔音板、屏蔽铜板、及仓体支架等屏蔽材料。屏蔽铜板是整个量子计算机仓的核心屏蔽材料，可采用99.9%紫铜定制，导电率能够达到95%，高于绝大多数金属材料，配合屏蔽铜箔和屏蔽铜网共同使用。铝型板材的规格可采用80*80mm、韦氏硬度为13hw、扭拧度为0.22、弯曲度为0.1，性能指标优良，可用作仓体内部支撑主骨架，固定内部填充的电磁屏蔽材料和阻燃隔音材料。
电磁屏蔽布由尼龙或聚酯纤维表面涂覆铜和镍等金属所构成的金属纤维纺织而成，纤维表面底层是由高导电性的铜，表面为防氧化及腐蚀的镍金属，铜和镍的结合提供了极高的导电性和屏蔽效能，同时具有抗氧化、防腐蚀的特性；能够贴在阻燃隔音材料板的表面，覆盖板材与板材之间的缝隙，防止接缝处泄漏电磁波。阻燃隔音材料具有良好的防火性能，安装在仓体的靠外壁一侧，可以吸收且隔绝外部传来的噪音，宽频带高效吸音，为仓内提供良好的静音效果。
27.本案实施例中，将量子计算机原本比较分散的分布于多个区域和实验室的各部分组件，优化空间布局和线缆排布，进行高密度的集成化封装；并引入多种屏蔽和隔振措施，能够隔绝可能带来的振动影响以降低噪声对于量子比特的影响，提升超导量子计算机工作环境稳定性。
28.本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，a和/或b可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
29.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
30.上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。