CN109063843A - 一种量子计算机软件架构系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子计算机软件架构系统，包括：量子程序模块用于构建并保存量子程序，量子程序模块提供量子程序接口，以获取量子程序首个节点、末个节点，向量子程序中插入节点、向量子程序中插入量子程序；量子驱动模块用于读取并优化量子程序，装载量子程序，控制量子计算机运行量子程序并获取运行结果；量子驱动模块包括：量子机器接口用于控制量子计算机；量子程序接口获取量子程序信息；量子比特池用于获取总量子比特数、空余量子比特数、占用量子比特数；申请量子比特和释放量子比特；量子比特用于获取量子计算机量子比特单元拓扑结构；量子优化器用于对量子程序进行优化。应用本发明实施例，可以适用于硬件架构不同的量子计算机。

Description

一种量子计算机软件架构系统

技术领域

本发明涉及一种软件架构系统，更具体涉及一种量子计算机软件架构系统。

背景技术

量子计算机发展迅速，当其包含的量子比特数目大于50时，计算能力将超过所有经典计算机。然而，量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机(或称传统电脑)，量子计算用来存储数据的对象是量子比特，它使用量子算法来进行数据操作。通常来说，量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；量子计算机中的变换为所有可能的变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。量子计算机在底层硬件架构和工作方式上都与经典计算机有本质的不同，所以经典计算机的软件框架不适用于量子计算机。

目前，为了解决上述问题，人们提出了各种各样的量子计算机软件架构系统，但是，现有的量子计算机软件架构系统中的各个模块之间耦合严重，只适用于某种特定的量子计算机，无法移植到别的量子计算机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种量子计算机软件架构系统，以解决现有技术中量子计算机软件架构系统不能移植到别的量子计算机的技术问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

本发明实施例提供了一种量子计算机软件架构系统，所述系统包括：量子计算机驱动模块和量子程序模块，其中，

所述量子计算机驱动模块，用于驱动量子计算机运行量子程序并获取量子程序运行结果；所述量子计算机驱动模块包括：量子机器接口，量子程序接口，量子比特池、量子比特拓扑结构，量子优化器，其中，

所述量子机器接口为部署所述量子计算机软件架构系统的量子芯片的对外接口，用于接收量子程序，执行量子程序并返回运行结果；

所述量子程序接口为量子程序的对外接口，用于获取量子程序的第一个节点，获取量子程序最后一个节点，向量子程序中插入节点，向量子程序中插入量子程序；

所述量子比特池为与量子芯片量子比特单元对应的虚拟空间，用于获取总量子比特数、空余量子比特数、占用量子比特数；申请量子比特和释放量子比特中的一种或者组合；

所述量子比特拓扑结构，用于获取量子芯片量子比特单元的拓扑结构；

所述量子优化器，用于根据所述量子程序和所述量子比特拓扑结构优化量子程序；

所述量子程序模块用于构建并保存量子程序，所述量子程序由量子程序节点构成，所述量子程序节点包括：量子线性节点和逻辑分支节点。

可选的，所述量子计算机驱动模块，具体用于，加载量子计算机的硬件、加载量子程序、运行量子程序、获取量子程序运行状态、获取量子程序运行结果。

可选的，所述量子比特池，还用于协调量子程序量子中的比特单元和量子芯片中的量子比特单元的，优化量子程序量子中的比特单元与量子芯片中的量子比特单元之间的映射关系。

可选的，量子计算机驱动模块，还用于初始化量子机器，获取量子机器量子比特的拓扑结构，申请经典比特和/或量子比特。

可选的，所述量子线性节点，包括：量子线路节点和量子测量节点，其中，所述量子线路节点由基本量子逻辑门集合中的量子逻辑门按照预设规则排列组成，用于通过量子线路接口支持控制操作和转置共轭操作；所述量子测量节点用于对所述量子线路节点进行测量操作。

可选的，所述量子线性节点内以链表的形式保存当前量子线路和下一个量子程序节点的指针。

可选的，所述控制操作，包括：

选取特定的量子比特为控制量子比特，对目标量子线路进行控制，产生受控量子线路。将受控量子线路中的多控单量子逻辑门分解为单量子比特门和CNOT门序列。

可选的，所述基本量子逻辑门集合包括任意单量子逻辑门和CNOT双量子逻辑门。

可选的，所述转置共轭操作，包括。

将目标量子线路中的量子逻辑门序列倒序排列并将每个量子逻辑门转化为其转置共轭形式的量子逻辑门，生成目标量子线路的转置共轭量子线路。

可选的，所述量子程序模块，使用链表结构保存量子程序。

可选的，所述逻辑分支节点，用于生成量子程序，所述逻辑分支节点包括：条件逻辑节点和循环逻辑节点，其中，所述条件逻辑节点用于生成条件量子程序；所述循环逻辑节点用于生成循环量子程序。

可选的，所述条件逻辑节点，具体用于：

保存条件量子程序中两个分支量子程序的头指针，尾指针以及下一个量子程序节点的指针，还保存第一逻辑语句，其中，所述第一逻辑语句是采用符号运算系统中的符号表达式表示的；

在量子程序运行过程中，为所述符号表达式中的符号赋值，判定所述第一逻辑语句的值；当所述第一逻辑语句的值为真时，执行所述两个分支量子程序中的一个分支量子程序，当所述第一逻辑语句的值为假时，量子程序执行另一个分支量子程序；

根据尾指针判断分支量子程序的执行进度，执行完选定的分支量子程序后，开始执行下一个量子程序节点。

可选的，所述循环逻辑节点，具体用于：

保存循环量子程序中分支量子程序的头指针，尾指针和下一个量子程序节点指针，还保存第二逻辑语句；

在量子程序运行过程中，根据所述第二逻辑语句选择执行循环量子分支程序，执行完循环量子分支程序后继续判断循环逻辑节点中第二逻辑语句的值，当所述第二逻辑语句的值为真时，循环量子程序分支，构成一个循环量子程序；当所述第二逻辑语句的值为假时，程序跳出循环逻辑节点，开始执行下一个量子程序节点。

本发明相比现有技术具有以下优点：

应用本发明实施例提供的量子计算机软件架构系统，各个模块之间仅通过接口进行通信，各个模块之间是互不干涉的，相对于现有技术中模块内部的实现方式受到其他模块的影响，可以适用于硬件架构不同的量子计算机。

附图说明

图1为实施例提供的一种量子计算机软件架构系统的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

为解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种量子计算机软件架构系统。

图1为实施例提供的一种量子计算机软件架构系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括：量子计算机驱动模块和量子程序模块，其中，

所述量子计算机驱动模块，用于驱动量子计算机运行量子程序并获取量子程序运行结果；所述量子计算机驱动模块包括：量子机器接口，量子程序接口，量子比特池、量子比特拓扑结构，量子优化器，其中，

所述量子机器接口为部署所述量子计算机软件架构系统的量子芯片的对外接口，用于接收量子程序，执行量子程序并返回运行结果；

所述量子程序接口为量子程序的对外接口，用于获取量子程序的第一个节点，获取量子程序最后一个节点，向量子程序中插入节点，向量子程序中插入量子程序；

所述量子比特池为与量子芯片量子比特单元对应的虚拟空间，用于获取总量子比特数、空余量子比特数、占用量子比特数；申请量子比特和释放量子比特中的一种或者组合；

所述量子比特拓扑结构，用于获取量子芯片量子比特单元的拓扑结构；

所述量子优化器，用于根据所述量子程序和所述量子比特拓扑结构优化量子程序；

所述量子程序模块用于构建并保存量子程序，所述量子程序由量子程序节点构成，所述量子程序节点包括：量子线性节点和逻辑分支节点。

具体的，量子程序模块中可以包括一个、或者两个、或者更多个量子程序节点。

应用本发明图1所示实施例提供的量子计算机软件架构系统，各个模块之间仅通过接口进行通信，各个模块之间是互不干涉的，相对于现有技术中模块内部的实现方式受到其他模块的影响，可以适用于硬件架构不同的量子计算机。

另外，应用本发明图1所示实施例，各个模块之间相互独立，避免各个模块之间的干扰，实现了各个模块之间的解耦和，便于系统的修改和扩展。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述量子计算机驱动模块，具体用于，加载量子计算机的硬件、加载量子程序、运行量子程序、获取量子程序运行状态、获取量子程序运行结果。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述量子比特池，还用于协调量子程序量子中的比特单元和量子芯片中的量子比特单元的，优化量子程序量子中的比特单元与量子芯片中的量子比特单元之间的映射关系。

量子比特池作为量子程序与量子计算机硬件量子比特单元之间的中介。由于量子不可克隆定理，量子线路中的量子比特不允许有复制操作，本发明实施例提供的量子比特池通过定义量子比特，避免了量子比特的复制操作。另外，不同架构的量子计算机的量子比特结构存在差异，一个量子程序无法适用于不同架构的量子计算机，在本发明实施例中，通过量子比特池的调节，可以使本发明量子程序模块生成的量子程序适用于不同架构的量子计算机。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，量子计算机驱动模块，还用于初始化量子机器，获取量子机器量子比特的拓扑结构，申请经典比特和/或量子比特。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述量子线性节点，包括：量子线路节点和量子测量节点，其中，所述量子线路节点由基本量子逻辑门集合中的量子逻辑门按照预设规则排列组成，用于通过量子线路接口支持控制操作和转置共轭操作；所述量子测量节点用于对所述量子线路节点进行测量操作。

应用本发明上述实施例，可以对量子线路接口进行控制操作、转置共轭操作和测量操作。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述量子线性节点内以链表的形式保存当前量子线路和下一个量子程序节点的指针。

在实际应用中，量子线性节点内以链表的形式保存当前量子线路；当前量子线路的测量节点的指针；以及当前量子线路对应的量子程序节点的下一个量子程序节点的指针。

应用本发明上述实施例，可以根据量子程序节点和量子线路进行保存。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述控制操作，包括：

选取特定的量子比特为控制量子比特，对目标量子线路进行控制，产生受控量子线路；将受控量子线路中的多控单量子逻辑门分解为单量子比特门和CNOT门序列。

选取特定的量子比特为控制量子比特，对目标量子线路进行控制，生成受控量子线路，将受控量子线路中的多控单量子逻辑门分解为为单量子比特门和CNOT门序列，一般的，多控单量子比特门指控制量子比特数目大于1个的受控量子逻辑门。

应用本发明上述实施例，可以生成由量子逻辑门节点构成的受控量子线路。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述基本量子逻辑门集合包括任意单量子逻辑门和CNOT双量子逻辑门。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述转置共轭操作，包括。

将目标量子线路中的量子逻辑门序列倒序排列并将每个量子逻辑门转化为其转置共轭形式的量子逻辑门，生成目标量子线路的转置共轭量子线路。

应用本发明上述实施例，可以生成任意量子线路或量子逻辑门的转置共轭量子线路或量子逻辑门。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述量子程序模块，使用链表结构保存量子程序。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述逻辑分支节点，用于生成量子程序，所述逻辑分支节点包括：条件逻辑节点和循环逻辑节点，其中，所述条件逻辑节点用于生成条件量子程序；所述循环逻辑节点用于生成循环量子程序。

应用本发明上述实施例，在实际应用中，有的问题需要用经典-量子交叉线路才能构建解决方案，比如HHL(Harrow-Hassdim-Lloyd，解线性系统的量子)算法和VQE(Variational Quantum Eigensolver，可变量子本征求解)算法，但是现有技术中的量子程序是采用虚拟的量子计算机实现上述算法的，而本发明实施例提供的软件架构系统中，量子程序模块包含的循环量子程序节点和条件量子程序节点，可以构建出建经典-量子交叉线路，进而实现HHL算法和VQE算法。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述条件逻辑节点，具体用于：

保存条件量子程序中两个分支量子程序的头指针，尾指针以及下一个量子程序节点的指针，还保存第一逻辑语句，其中，所述第一逻辑语句是采用符号运算系统中的符号表达式表示的；

在量子程序运行过程中，为所述符号表达式中的符号赋值，判定所述第一逻辑语句的值；当所述第一逻辑语句的值为真时，执行所述两个分支量子程序中的一个分支量子程序，当所述第一逻辑语句的值为假时，量子程序执行另一个分支量子程序；

根据尾指针判断分支量子程序的执行进度，执行完选定的分支量子程序后，开始执行下一个量子程序节点。

应用本发明上述实施例，可以根据逻辑语句值的真假，生成分支量子程序线路。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述循环逻辑节点，具体用于：

保存循环量子程序中分支量子程序的头指针，尾指针和下一个量子程序节点指针，还保存第二逻辑语句；

在量子程序运行过程中，根据所述第二逻辑语句选择执行循环量子分支程序，执行完循环量子分支程序后继续判断循环逻辑节点中第二逻辑语句的值，当所述第二逻辑语句的值为真时，循环量子程序分支，构成一个循环量子程序；当所述第二逻辑语句的值为假时，程序跳出循环逻辑节点，开始执行下一个量子程序节点。

应用本发明上述实施例，可以根据逻辑语句值的真假，生成循环量子程序线路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述系统包括：量子计算机驱动模块和量子程序模块，其中，

所述量子计算机驱动模块，用于驱动量子计算机运行量子程序并获取量子程序运行结果；所述量子计算机驱动模块包括：量子机器接口，量子程序接口，量子比特池、量子比特拓扑结构，量子优化器，其中，

所述量子机器接口为部署所述量子计算机软件架构系统的量子芯片的对外接口，用于接收量子程序，执行量子程序并返回运行结果；

所述量子程序接口为量子程序的对外接口，用于获取量子程序的第一个节点，获取量子程序最后一个节点，向量子程序中插入节点，向量子程序中插入量子程序；

所述量子比特池为与量子芯片量子比特单元对应的虚拟空间，用于获取总量子比特数、空余量子比特数、占用量子比特数；申请量子比特和释放量子比特中的一种或者组合；

所述量子比特拓扑结构，用于获取量子芯片量子比特单元的拓扑结构；

所述量子优化器，用于根据所述量子程序和所述量子比特拓扑结构优化量子程序；

所述量子程序模块用于构建并保存量子程序，所述量子程序由量子程序节点构成，所述量子程序节点包括：量子线性节点和逻辑分支节点。

2.根据权利要求1所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述量子计算机驱动模块，具体用于，加载量子计算机的硬件、加载量子程序、运行量子程序、获取量子程序运行状态、获取量子程序运行结果。

3.根据权利要求1所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述量子比特池，还用于协调量子程序量子中的比特单元和量子芯片中的量子比特单元的，优化量子程序量子中的比特单元与量子芯片中的量子比特单元之间的映射关系。

4.根据权利要求1所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，量子计算机驱动模块，还用于初始化量子机器，获取量子机器量子比特的拓扑结构，申请经典比特和/或量子比特。

5.根据权利要求1所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述量子线性节点，包括：量子线路节点和量子测量节点，其中，所述量子线路节点由基本量子逻辑门集合中的量子逻辑门按照预设规则排列组成，用于通过量子线路接口支持控制操作和转置共轭操作；所述量子测量节点用于对所述量子线路节点进行测量操作。

6.根据权利要求5所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述量子线性节点内以链表的形式保存当前量子线路和下一个量子程序节点的指针。

7.根据权利要求5所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述控制操作，包括：

选取特定的量子比特为控制量子比特，对目标量子线路进行控制，产生受控量子线路；将受控量子线路中的多控单量子逻辑门分解为单量子比特门和CNOT门序列。

8.根据权利要求5所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述基本量子逻辑门集合包括任意单量子逻辑门和CNOT双量子逻辑门。

9.根据权利要求5所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述转置共轭操作，包括：

将目标量子线路中的量子逻辑门序列倒序排列并将每个量子逻辑门转化为其转置共轭形式的量子逻辑门，生成目标量子线路的转置共轭量子线路。

10.根据权利要求1所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述量子程序模块，使用链表结构保存量子程序。

11.根据权利要求1所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述逻辑分支节点，用于生成量子程序，所述逻辑分支节点包括：条件逻辑节点和循环逻辑节点，其中，所述条件逻辑节点用于生成条件量子程序；所述循环逻辑节点用于生成循环量子程序。

12.根据权利要求11所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述条件逻辑节点，具体用于：

保存条件量子程序中两个分支量子程序的头指针，尾指针以及下一个量子程序节点的指针，还保存第一逻辑语句，其中，所述第一逻辑语句是采用符号运算系统中的符号表达式表示的；

在量子程序运行过程中，为所述符号表达式中的符号赋值，判定所述第一逻辑语句的值；当所述第一逻辑语句的值为真时，执行所述两个分支量子程序中的一个分支量子程序，当所述第一逻辑语句的值为假时，量子程序执行另一个分支量子程序；

根据尾指针判断分支量子程序的执行进度，执行完选定的分支量子程序后，开始执行下一个量子程序节点。

13.根据权利要求11所述的一种量子计算机软件架构系统，其特征在于，所述循环逻辑节点，具体用于：

保存循环量子程序中分支量子程序的头指针，尾指针和下一个量子程序节点指针，还保存第二逻辑语句；

在量子程序运行过程中，根据所述第二逻辑语句选择执行循环量子分支程序，执行完循环量子分支程序后继续判断循环逻辑节点中第二逻辑语句的值，当所述第二逻辑语句的值为真时，循环量子程序分支，构成一个循环量子程序；当所述第二逻辑语句的值为假时，程序跳出循环逻辑节点，开始执行下一个量子程序节点。