一种量子计算机操作系统及量子计算机

摘要

本申请属于量子计算领域，公开了一种量子计算机操作系统及量子计算机，量子计算机操作系统包括量子比特管理服务模块，用于获取量子芯片上的可用量子比特的当前拓扑结构；量子计算任务调度管理服务模块，用于从当前尚未处理的量子计算任务中确定待处理量子计算任务；编译优化服务模块，用于编译所述待处理量子计算任务以得到可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路；量子计算任务调度管理服务模块，还用于根据所述可执行量子线路的优先级确定待分配量子计算任务；通信模块，用于与实现所述待分配量子计算任务的分配、执行和执行结果反馈的量子计算机硬件之间的通信。本申请能够实现量子计算任务的调度处理，提高了量子计算机的计算效率、稳定性。

说明书

技术领域

本申请属于量子计算领域，特别是一种量子计算机操作系统及量子计算机。

背景技术

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力，例如，能将破解RSA密钥的时间从数百年加速到数小时，故成为一种正在研究中的关键技术。

操作系统对计算机的重要性不言而喻，对经典计算机如此，对还处在初期发展阶段的量子计算机技术更是如此，量子计算机操作系统可以决定量子计算机的计算效率、稳定性，进而决定了量子计算机的实用程度，因此急需发展量子计算机操作系统。

发明内容

本申请的目的是提供一种量子计算机操作系统及量子计算机，以解决现有技术中的不足，它能够实现量子计算任务的调度处理，提高了量子计算机的计算效率、稳定性，进而提高了量子计算机的实用程度。

本申请一方面提供了一种量子计算机操作系统，包括：

量子比特管理服务模块，用于获取量子芯片上的可用量子比特的当前拓扑结构；

量子计算任务调度管理服务模块，用于从当前尚未处理的量子计算任务中确定待处理量子计算任务，其中，所述待处理量子计算任务所需的量子比特数获小于等于所述当前拓扑结构中的量子比特数；

编译优化服务模块，用于编译所述待处理量子计算任务以得到可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路；

量子计算任务调度管理服务模块，还用于根据所述可执行量子线路的优先级确定待分配量子计算任务，其中：所述可执行量子线路的优先级根据量子芯片执行所述可执行量子线路的执行时间以及对应的量子计算任务的等待时间确定；

通信模块，用于与实现所述待分配量子计算任务的分配、执行和执行结果反馈的量子计算机硬件之间的通信。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，可选的是，所述可用量子比特包括未被使用的且经过校准的量子比特。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，可选的是，所述量子计算机硬件包括量子测控系统，所述量子测控系统用于向所述量子芯片提供信号，并接收所述量子芯片的输出信号；

所述通信模块，用于发送第一指令数据以及接收来自所述量子测控系统的第一结果数据，其中：所述第一指令数据用于控制所述量子测控系统输出对应所述待分配量子计算任务的量子芯片可接受的信号。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，可选的是，所述量子计算机硬件还包括稀释制冷机，所述稀释制冷机用于提供所述量子芯片的工作温度；

所述通信模块，还用于发送第二指令数据，所述第二指令数据用于控制所述稀释制冷机处于设定温度。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，可选的是，所述量子计算机操作系统还包括：

自动化校准服务模块，用于对所述量子芯片上的量子比特进行校准，以通过提高量子比特保真度来提高量子芯片上的量子比特的可用情况。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，可选的是，所述量子计算机操作系统还包括：

用户交互模块，用于向用户提供量子计算相关操作的交互窗口。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，可选的是，所述量子计算相关操作包括量子测控试验操作、量子计算机硬件参数设置操作、及控制台之一或者组合。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，可选的是，所述量子测控试验包括量子比特能谱实验、量子比特弛豫时间和/或相干时间确定实验、量子比特逻辑门确定和/或校准实验之一或者组合。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，可选的是，所述量子计算机操作系统还包括：

设备监控服务模块，用于监控所述量子计算机硬件的工作状态。

本申请的另一方面提供了一种量子计算机，所述量子计算机上述的量子计算机操作系统。

与现有技术相比，本申请提供的量子操作系统，通过量子比特管理服务模块获取量子芯片上的可用量子比特的当前拓扑结构；量子计算任务调度管理服务模块结合当前拓扑结构从当前尚未处理的量子计算任务中确定待处理量子计算任务，编译优化服务模块编译所述待处理量子计算任务以得到可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路，量子计算任务调度管理服务模块根据所述可执行量子线路的优先级确定待分配量子计算任务，通信模块与实现所述待分配量子计算任务的分配、执行和执行结果反馈的量子计算机硬件之间的通信，进而实现量子计算任务的调度执行处理。待分配量子计算任务的确定和处理过程中，基于量子芯片上的可用量子比特的当前拓扑结构进行，且把所述待处理量子计算任务编译为可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路，实现了量子计算任务的调度处理，充分考虑了来自量子芯片的量子计算资源，提高了量子计算机的计算效率；同时经过编译处理，把所述待处理量子计算任务转化为可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路，提高了量子计算机的稳定性，进而提高了量子计算机的实用程度。

附图说明

图1为本申请的实施例提供的一种量子计算机操作系统示意图；

图2.1为一个实施例所用的量子线路；

图2.2为一个实施例所用的量子芯片拓扑结构；

图2.3为一个实施例所用的量子芯片拓扑结构。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

需要说明的是，真正的量子计算机是混合结构的，它包含两大部分：一部分是第一量子计算硬件设备，负责量子程序的运行计算实现控制指令的转化与控制；另一部分是第二量子计算硬件设备，负责执行量子程序进而实现量子计算。第一量子计算硬件设备和第二量子计算硬件设备之间通信，且第一量子计算硬件设备控制第二量子计算硬件设备的运行。

上述的量子程序是由量子语言如QRunes语言编写的一串能够在量子计算机上运行的指令序列，实现了对量子逻辑门操作的支持，并最终实现量子计算。

具体的说，量子程序就是一系列按照一定时序操作量子逻辑门的指令序列。量子线路作为量子程序的一种体现方式，也称量子逻辑电路，是最常用的通用量子计算模型，表示在抽象概念下对于量子比特进行操作的线路，其组成包括量子比特、线路(时间线)，以及各种量子逻辑门，最后常需要通过量子测量操作将结果读取出来。

不同于传统电路是用金属线所连接以传递电压信号或电流信号，在量子线路中，线路可看成是由时间所连接，亦即量子比特的状态随着时间自然演化，在这过程中按照哈密顿运算符的指示，一直到遇上逻辑门而被操作。

一个量子程序整体上对应有一条总的量子线路，本申请所述量子程序即指该条总的量子线路，其中，该总的量子线路中的量子比特总数与量子程序的量子比特总数相同。可以理解为：一个量子程序可以由量子线路、针对量子线路中量子比特的测量操作、保存测量结果的寄存器及控制流节点(跳转指令)组成，一条量子线路可以包含几十上百个甚至千上万个量子逻辑门操作。量子程序的执行过程，就是对所有的量子逻辑门按照一定时序执行的过程。需要说明的是，时序即单个量子逻辑门被执行的时间顺序。

需要说明的是，经典计算中，最基本的单元是比特，而最基本的控制模式是逻辑门，可以通过逻辑门的组合来达到控制电路的目的。类似地，处理量子比特的方式就是量子逻辑门。使用量子逻辑门，能够使量子态发生演化，量子逻辑门是构成量子线路的基础，量子逻辑门一般使用酉矩阵表示，而酉矩阵不仅是矩阵形式，也是一种操作和变换。量子逻辑门根据作用的量子比特数量定义。如作用在一个量子比特上的定义为单比特量子逻辑门，如常见的基础单量子比特逻辑门：Hadamard门(H门，阿达马门)、泡利-X门(X门)、泡利-Y门(Y门)、泡利-Z门(Z门)、RX门、RY门、RZ门等等；作用在两个量子比特上的定义为两比特量子逻辑门，如常见的基础两比特量子逻辑门，如CNOT门、iSWAP门，基础两比特量子逻辑门对应的操作矩阵是4*4维的，同时操作矩阵内的元素数值确定，还有作用在两个量子比特上任意两量子比特逻辑门U，对应的操作矩阵是4*4维的，但是操作矩阵内的元素数值不确定，是程序人员按需设置的；多比特量子逻辑门如Toffoli门等等。

量子计算在实现过程中，设置在第一量子计算硬件设备内的量子操作系统能够决定量子计算机的计算效率、稳定性，进而决定了量子计算机的实用程度，因此急需发展量子计算机操作系统。

如图1所示，本申请的实施例提供了一种量子计算机操作系统，包括：量子比特管理服务模块101、量子计算任务调度管理服务模块102、编译优化服务模块103和通信模块104。

具体的，量子比特管理服务模块101用于获取量子芯片上的可用量子比特的当前拓扑结构；量子计算任务调度管理服务模块102用于从当前尚未处理的量子计算任务中确定待处理量子计算任务，其中，所述待处理量子计算任务所需的量子比特数获小于等于所述当前拓扑结构中的量子比特数；编译优化服务模块103用于编译所述待处理量子计算任务以得到可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路；量子计算任务调度管理服务模块102还用于根据所述可执行量子线路的优先级确定待分配量子计算任务，其中：所述可执行量子线路的优先级根据量子芯片执行所述可执行量子线路的执行时间以及对应的量子计算任务的等待时间确定；通信模块104用于与实现所述待分配量子计算任务的分配、执行和执行结果反馈的量子计算机硬件之间的通信。

本申请实施例提供的量子操作系统，通过量子比特管理服务模块获取量子芯片上的可用量子比特的当前拓扑结构；量子计算任务调度管理服务模块结合当前拓扑结构从当前尚未处理的量子计算任务中确定待处理量子计算任务，编译优化服务模块编译所述待处理量子计算任务以得到可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路，量子计算任务调度管理服务模块还用于根据所述可执行量子线路的优先级确定待分配量子计算任务，通信模块用于与实现所述待分配量子计算任务的分配、执行和执行结果反馈的量子计算机硬件之间的通信。待分配量子计算任务的确定和处理过程中，基于量子芯片上的可用量子比特的当前拓扑结构进行，且把所述待处理量子计算任务编译为可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路，实现了量子计算任务的调度处理，充分考虑了来自量子芯片的量子计算资源，提高了量子计算机的计算效率；同时经过编译处理，把所述待处理量子计算任务转化为可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路，提高了量子计算机的稳定性，进而提高了量子计算机的实用程度。

需要说明的是，上述的量子芯片是量子计算机中执行量子计算的处理器，量子芯片包含的量子比特为处理器的处理单元。受制于量子芯片硬件制造技术的发展，量子芯片包含的量子比特数量的增加和利用是制约量子计算算力的因素之一，因此需要在量子计算任务调度中需要合理充分的调用量子芯片上的量子比特。

量子芯片的拓扑结构反映量子芯片上的量子比特的空间特点，此空间特点决定量子芯片作为计算资源的可被使用情况，量子比特的空间特点包括量子芯片包含的量子比特数量、位置、连接关系。

量子芯片当前拓扑结构反映量子芯片作为计算资源的当前可被使用情况，可以根据量子芯片上的量子比特可用情况确定。量子比特可用情况示例性的包括：量子比特的被占用情况、量子比特的保真度决定的是否可以使用的情况，高保真度的量子比特可以通过校准获得。

而编译所述待处理量子计算任务以得到可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路的过程中，也需要基于量子芯片的拓扑结构进行。具体的，可在所述量子芯片上执行一方面需要满足量子芯片当前计算资源，由量子芯片当前拓扑结构所包含的量子比特数量决定；另一方面，需要满足量子线路所包含的量子逻辑门在量子芯片上量子比特的可实施，如量子线路所包含的一两量子逻辑门对应两个特征比特，两特征比特映射到量子芯片时的两映射比特比特之间要有边的连接，则该两量子逻辑门才可以直接在该量子芯片上可实施。

故，为获得可在所述量子芯片上执行的可执行量子线路，需要根据量子芯片当前拓扑结构对所述待处理量子线路进行编译处理，以把所述待处理量子线路包含的量子逻辑门处理为可以直接在量子芯片上直接执行的量子逻辑门，后者组成的量子线路为可执行量子线路。

示例性的，对所述待处理量子线路的编译处理可以包括：

建立所述量子线路包含的量子比特与量子芯片当前拓扑结构所包含的量子比特之间的量子比特映射关系；基于所述量子比特映射关系对所述量子线路进行处理，以获得包含的每个量子逻辑门均可以直接在所述量子芯片上执行的可执行量子线路。

具体的，建立所述量子线路包含的量子比特与量子芯片当前拓扑结构所包含的量子比特之间的量子比特映射关系需要考虑量子比特数量之间的映射关系、及量子比特之间连接关系的映射关系，量子比特之间的连接关系在量子线路中通过量子逻辑门确定；量子比特之间的连接关系在量子芯片当前拓扑结构中根据前述的量子芯片上的量子比特的空间特点决定。

示例性的，提供一种量子比特数量和量子比特连接关系均满足的映射实例，如图2.1所示的量子线路H1、U(1，2)、CNOT(2，3)、CNOT(2，4)分别表示H门作用在q1，U门同时作用在q1和q2上，CNOT门同时作用在q2和q3上，CNOT门同时作用在q2和q4上。此量子线路包含四个量子比特，且需要q1和q2之间有连接关系、q2和q3之间有连接关系、及q2和q4之间有连接关系。

如图2.2所示的量子芯片拓扑结构，包含Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6共6个量子比特，故图2.2所示的量子芯片拓扑结构与图2.1所示的量子线路满足基本的量子比特数量映射条件；考虑到如图2.1所示的量子线路中的量子比特之间的连接关系以及图2.2所示的量子芯片拓扑结构中的量子比特之间的连接关系，确定映射结果为q2映射到Q3或Q4上，然后按需确定q1、q3和q4对应的映射比特，示例性的，分别为Q1、Q4和Q5。

此时进入基于所述量子比特映射关系对所述量子线路进行处理，以获得包含的每个量子逻辑门均可以直接在所述量子芯片上执行的可执行量子线路的过程，该过程对所述量子线路进行处理，示例性的，如量子线路的优化；量子线路的优化操作，示例性的可以为对两个相邻的且共同操作结果为单位矩阵量子逻辑门进行删除实现的量子线路简化优化，也可以是对量子线路进行的其它优化操作，并不做具体限制。

再示例性的，提供一种量子比特数量满足但量子比特连接关系不满足的映射实例，如图2.1所示的量子线路H1、U(1，2)、CNOT(2，3)、CNOT(2，4)分别表示H门作用在q1，CNOT门第一次同时作用在q1和q2上，CNOT门同时作用在q2和q3上，CNOT门同时作用在q2和q4上。此量子线路包含四个量子比特，且需要q1和q2之间有连接关系、q2和q3之间有连接关系、及q2和q4之间有连接关系。

如图2.3所示为Q3不能使用时的量子芯片拓扑结构，包含Q1、Q2、Q4、Q5和Q6共5个量子比特，故图2.3所示的量子芯片拓扑结构与图2.1所示的量子线路满足基本的量子比特映射条件；考虑到如图2.1所示的量子线路中的量子比特之间的连接关系以及图2.3所示的量子芯片拓扑结构中的量子比特之间的连接关系，确定映射结果为q2映射到Q4上，然后按需确定q1、q3和q4对应的映射比特，示例性的，分别为Q1、Q2和Q6。

此时，如图2.1所示量子线路中的U(1，2)门并不可以直接实现，此时进入基于所述量子比特映射关系对所述量子线路进行处理，以获得包含的每个量子逻辑门均可以直接在所述量子芯片上执行的可执行量子线路的过程，该过程对所述量子线路进行处理，示例性的，包括任意两量子比特逻辑门的分解、多量子比特逻辑门的分解之一或者其组合。

另外，可执行量子线路的执行时间可以根据量子线路的时序确定，量子线路的时序代表量子线路包含的各量子逻辑门的执行顺序和时间，可根据时序获得反映执行量子线路所需要的时间。

可以理解的是，所述可用量子比特包括未被使用的且经过校准的量子比特，满足此条件的量子比特能够提高量子计算任务被调度的准确性，提高量子计算的准确性。

本实施例所述量子计算机硬件可以包括量子测控系统，所述量子测控系统用于向所述量子芯片提供信号，并接收所述量子芯片的输出信号；

所述通信模块，用于发送第一指令数据以及接收来自所述量子测控系统的第一结果数据，其中：所述第一指令数据用于控制所述量子测控系统输出对应所述待分配量子计算任务的量子芯片可接受的信号。

示例性的，量子测控系统包括电压源、数模转化器、模数转化器等，以用于把第一指令数据转化为量子芯片可执行的模拟信号，且该模拟信号代表对应可执行量子线路，所以第一指令数据是对应可执行量子线路的量子测控系统可以接收的数据。

同时，量子测控系统采集量子芯片执行量子计算任务之后的模拟信号，并转化为第一结果数据，并把第一结果数据通过通信模块发送给量子计算任务调度管理服务模块。

本实施例所述量子计算机硬件还可以包括稀释制冷机，所述稀释制冷机用于提供所述量子芯片的工作温度；所述通信模块，还用于发送第二指令数据，所述第二指令数据用于控制所述稀释制冷机处于设定温度。

具体的，第二指令数据可以是预先配置，也可以是自动调整的，示例性的，根据监测到的稀释制冷机的温度通过预设调控系统调控的，示例性的，预设调控系统为基于PID(比例积分微分)控制算法的控制系统。

本实施例所述量子计算机操作系统还包括：自动化校准服务模块，用于对所述量子芯片上的量子比特进行校准，以通过提高量子比特保真度来提高量子芯片上的量子比特的可用情况。

可以理解的是，在量子计算机操作系统内，自动化校准服务模块提供实现量子比特校准的校准流程、算法等，这些校准流程、算法等以指令的形式通过通信模块发送给上述的第二量子计算硬件设备，实现第二量子计算硬件的量子芯片上的量子比特的校准。

本申请实施例所述的量子计算机操作系统，还包括用户交互模块，用户交互模块用于向用户提供量子计算相关操作的交互窗口。

示例性的，所述量子计算相关操作包括量子测控试验操作、量子计算机硬件参数设置操作、及控制台之一或者组合。

示例性的所述量子测控试验包括量子比特能谱实验、量子比特弛豫时间和/或相干时间确定实验、量子比特逻辑门确定和/或校准实验之一或者组合。需要说明的是，量子比特能谱实验用于校准量子比特的频率，量子比特弛豫时间确定实验用于确定量子比特的弛豫时间，量子比特相干时间确定实验用于确定量子比特的相干时间，可以理解的是，弛豫时间和相干时间是量子比特的两个主要参数。量子比特逻辑门确定校准实验用于确定实现量子比特逻辑门所需要的模拟信号，量子比特逻辑门校准实验用于校准实现量子比特逻辑门所需要的模拟信号。量子计算机硬件参数设置操作示例性的包括测控系统相关参数设置，或稀释制冷机相关参数设置等；本实施例并不做具体限制。

本申请实施例所述量子计算机操作系统还包括：设备监控服务模块，用于监控所述量子计算机硬件的工作状态。

需要说明的是，本申请所述量子计算机硬件是上述的第二量子计算硬件设备，包括量子芯片硬件、提供量子芯片运行环境的稀释制冷机硬件、及提供量子芯片运行所需要的模拟信号的测控系统硬件。

本申请的另一实施例提供了一种量子计算机，所述量子计算机包括上述任一项所述的量子计算机操作系统。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。