CN113010302B - 量子-经典混合架构下多任务调度方法、系统及量子计算机系统架构 - Google Patents

量子-经典混合架构下多任务调度方法、系统及量子计算机系统架构 Download PDF

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Abstract

本发明属于量子计算机应用技术领域，特别涉及一种量子‑经典混合架构下多任务调度方法、系统及量子计算机系统架构，用于量子计算机测控系统前端传送的任务调度，服务器端将传送至的各用户任务进行合并，使得多个任务在量子计算机上可同时运行；并根据合并后任务不同特点将其划分到不同任务队列中；量子计算机测控系统按照任务队列发送顺序依次执行，并将执行结果反馈至服务器端；服务器端将反馈的执行结果进行拆分并反馈至各用户。本发明结合量子计算机特点与经典计算机操作系统资源管理，将不同用户同一时间段内提交任务尽量同时在量子芯片上运行，提高量子计算机比特资源使用效率，为未来大规模量子比特芯片高效使用提供思路。

Description

量子-经典混合架构下多任务调度方法、系统及量子计算机系 统架构
技术领域
本发明属于量子计算机应用技术领域，特别涉及一种量子-经典混合架构下多任务调度方法、系统及量子计算机系统架构。
背景技术
经典操作系统的出现与不断发展，使得经典计算机的使用变得越来越方便，计算机硬件计算资源的利用率也越来越高。量子计算机也应该借鉴经典计算机的发展演变过程，在早期量子计算机研制时将操作系统的相关概念融入其中。现在的量子计算机在运行时大都采用了一个应用程序执行完，再执行下一个程序的方式。这种方式可类比早期经典计算机的批处理。经典操作系统管理整个计算机系统的计算资源，其中包括处理器管理、存储器管理以及必要的外设管理。量子操作系统的概念被Corrigan-Gibbs等人的论文建设性地第一次提出，并通过分析量子操作系统具有的潜力及量子操作系统的最终用途，但是跳过系统的实际设计和实现；由于跳过了这些细节，其更像一份为用户提供的应用程序编程接口(API)参考手册，而不像是在介绍一个新型的系统。由于量子计算机中量子芯片所需的严苛环境、复杂的测量方式等多种因素制约，呈现了与经典计算机操作系统完全不同的特点，这些都成为量子计算机多任务调度设计所面临的主要挑战。量子计算技术虽然处于初级发展阶段，但是发展迅速，从2016年IBM公司发布5个量子比特的量子计算云平台发布以来，仅超导量子计算机到目前为止(2020年12月14日)已经发展到了72量子比特。而使用量子退火算法求解优化问题的D-Wave专用量子计算机目前已经到达4000个量子比特的规模。随着量子信息技术的革新，量子计算机的比特数目仍会不断增长。如何高效地利用数目众多的量子比特，充分发挥量子计算机的性能优势，正变得越来越重要。总之，当前量子计算机操作系统相关研究乏善可陈，一方面量子计算机研究还处于初级阶段，硬件工艺水平仍旧是量子计算机发展的主要瓶颈，软件相关研究关注度较底；另一方面运行在量子计算机中的具有实际应用价值的算法较少，且目前来看量子计算机仅在某些领域较经典计算机有优势，多道程序并行或者并发执行的需求不大。
发明内容
为此，本发明提供一种量子-经典混合架构下多任务调度方法、系统及量子计算机系统架构，结合量子计算机的功能特点与经典计算机操作系统的资源管理技术，将不同用户同一时间段内提交的任务，尽量同时在量子芯片上运行，以提高量子计算机比特资源使用效率。
按照本发明所提供的设计方案，一种量子-经典混合架构下多任务调度方法，用于量子计算机测控系统前端传送的任务调度，包含：
服务器端将传送至的各用户任务进行合并，使得多个任务在量子计算机上可同时运行；并根据合并后任务不同特点将其划分到不同任务队列中；
量子计算机测控系统按照任务队列发送顺序依次执行，并将执行结果反馈至服务器端；
服务器端将反馈的执行结果进行拆分并反馈至各用户。
作为本发明量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步的，依据预设的合并规则将设定时间段内到达的两个或多个任务进行合并。
作为本发明量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步地，合并规则包含：依据即将合并的任务门线路深度是否在合理范围、任务所使用的量子比特数目是否超过量子芯片总比特数及任务所必须使用指定量子比特情形，将多个任务进行合并。
作为本发明量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步地，若任务门操作次数不符合量子芯片所支持的最大门操作次数，则去掉相关任务，不予执行；采用可串行化调度策略对任务需要使用指定的比特资源进行检查。
作为本发明量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步地，根据任务属性将任务划分到不同任务队列中，其中，该任务属性包含：任务门线路深度及任务所使用的量子比特数目。
作为本发明量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步地，不同任务队列在量子计算机测控系统运行中按照最高响应比优先原则排队发送。
作为本发明量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步地，服务器端按照任务对应的比特顺序将执行结果进行拆解，以获取各个用户的反馈结果。
进一步地，本发明还提供一种量子-经典混合架构下多任务调度系统，用于量子计算机测控系统前端传送的任务调度，包含：任务合并模块、任务执行模块和执行反馈模块，其中，
任务合并模块，用于服务器端将传送至的各用户任务进行合并，使得多个任务在量子计算机上可同时运行；并根据合并后任务不同特点将其划分到不同任务队列中；
任务执行模块，用于量子计算机测控系统按照任务队列发送顺序依次执行，并将执行结果反馈至服务器端；
执行反馈模块，用于服务器端将反馈的执行结果进行拆分并反馈至各用户。
进一步地，作为本发明量子-经典混合架构下多任务调度系统，进一步地，任务合并模块还包含：规则设定子模块、任务筛选子模块和任务检查子模块，其中，
规则设定子模块，用于设定合并规则，该合并规则至少包含：依据即将合并的任务门线路深度是否在合理范围、任务所使用的量子比特数目是否超过量子芯片总比特数及任务所必须使用指定量子比特情形；
任务筛选子模块，用于依据任务门操作次数是否符合量子芯片所支持的最大门操作次数，若不符合则去掉相关任务，不予执行；
任务检查子模块，用于采用可串行化调度策略对任务需要使用指定的比特资源进行检查。
进一步地，本发明还提供一种量子计算机系统架构，基于量子-经典混合架构实现多任务调度，包含：与测控设备连接的硬件综合管控系统，所述硬件综合管控系统包含用于与用户任务交互的Web端，及用于依据Web端传送任务进行任务调度的服务器端；该服务器端基于上述的量子-经典混合架构下多任务调度方法来实现任务调度。
本发明的有益效果：
本发明基于现有测控系统，在不改动测控硬件设备的前提下，通过多任务调度方案在量子计算机系统前端实现将多个任务合并且能够同时执行，并返回正确结果的功能，实现了在真实量子计算机上执行量子比特资源的调度功能，并演示验证了研发支持比特资源调度的量子操作系统的可行性。通过使用本发明方案，能够提高每次运行量子程序时比特资源的使用效率，为未来大规模量子比特芯片的高效使用提供了思路，具有较好的应用前景。
附图说明：
图1为实施例中量子-经典混合架构下多任务调度流程示意；
图2为实施例中就绪任务队列划分示意；
图3为实施例中多任务调度就绪队列排队规则示意；
图4为实施例中多任务调度系统原理模块示意；
图5为实施例中多任务调度系统执行流程示意。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
操控量子比特的测控系统是部署在量子计算机系统内的关键设备，负责在调试低温器件、量子比特参数或者是运行量子程序时向稀释制冷机内发送DC、AWG与RF信号，并负责回传测量结果。由于量子计算机正处于初级发展阶段，在设计测控系统时并没有考虑多任务同时执行的情况，只是在有新的任务后，前端负责将任务按先后顺序插入到测控系统数据库中，导致多个任务在执行时只能采用先来先服务(First Come First Service,FCFS)的调度方式依次执行，即存在于数据库中时间最久的任务最先执行。测控系统任务调度的涉及到的问题十分复杂，如果要在测控系统中实现多任务调度的功能，需要改变测控设备各部件的互联关系、修改FPGA算法逻辑。实现上难度大，无异于重新构建一套测控系统。所以目前为止，在系统中串行运行量子线路并依次得到测量结果是现在量子计算机主流的使用方式。本发明实施例，参见图1所示，提供一种量子-经典混合架构下多任务调度方法，用于量子计算机测控系统前端传送的任务调度，包含：
S101、服务器端将传送至的各用户任务进行合并，使得多个任务在量子计算机上可同时运行；并根据合并后任务不同特点将其划分到不同任务队列中；
S102、量子计算机测控系统按照任务队列发送顺序依次执行，并将执行结果反馈至服务器端；
S103、服务器端将反馈的执行结果进行拆分并反馈至各用户。
在“经典+量子”混合架构下进行量子计算机多任务调度，通过合理设计任务合并与拆分规则，使得多个任务可以在专用量子计算机上同时运行，以提升量子比特资源使用效率。
作为本发明实施例中量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步的，依据预设的合并规则将设定时间段内到达的两个或多个任务进行合并。
多任务调度算法可封装在服务端，服务端可采用python语言进行编写。当在一段时间内有多个任务到达后，若系统采用多任务调度服务端进行预处理，则符合规则的两个或多个任务将会合并，合并的量子语言为量子程序的中间表示(IntermediateRepresentation,IR)代码。
作为本发明实施例中量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步地，合并规则包含：依据即将合并的任务门线路深度是否在合理范围、任务所使用的量子比特数目是否超过量子芯片总比特数及任务所必须使用指定量子比特情形，将多个任务进行合并。进一步地，若任务门操作次数不符合量子芯片所支持的最大门操作次数，则去掉相关任务，不予执行；采用可串行化调度策略对任务需要使用指定的比特资源进行检查。
判断即将合并的任务门线路深度是否在合理范围内。量子比特相干时间是有限的，所以在十几毫秒甚至是几毫秒的时间范围内门操作的次数也是一定的。若达到的任务门操作次数不符合机器所支持的最大门操作次数，则去掉相关任务，并且不予执行。判断即将合并的任务所使用的量子比特数目是否超过量子芯片总比特数。显然，若多个任务即将使用超过量子芯片所拥有的比特资源总和，则合并后的任务无法完成。所以在第一条判断规则中将初步筛选出满足合并后小于等于总量子比特资源的多任务。判断即将合并的必须使用指定量子比特。由于芯片上的比特质量不一、互联结构不同，量子线路在不同的比特上执行，其结果也会有所差异。若有些任务在执行时需要使用指定的比特资源，并且为了避免冲突，则该任务不能与其他任务一起合并。采用可串行化调度策略进行检查，防止死锁、饥饿的情况出现。满足以上合并规则后才可以将任务合并为一个任务，此时即完成了多个任务向一个任务的转换，下一步则将其放置到对应的队列中。
作为本发明实施例中量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步地，根据任务属性将任务划分到不同任务队列中，其中，该任务属性包含：任务门线路深度及任务所使用的量子比特数目。进一步地，不同任务队列在量子计算机测控系统运行中按照最高响应比优先原则排队发送。
多类型就绪任务队列中，可根据合并后的任务不同特点将其划分到不同队列。如图2所示，基于根据任务属性的划分规则，线路深度高、比特数目少的划为一类；线路深度低、比特数目多的划为一类，以次类推。由于比特数目少、线路深度低的任务队列通常执行时间较快，则优先令该类型队列上的任务发送到测控系统中执行；比特数目多、线路深度高的任务队列通常执行时间较慢，则将其稍晚发送到测控系统中执行。而线路深度高、比特数目少的队列与线路深度低、比特数目多的两种队列则介于这两者之间。初始时可以按照以上规则发送任务到测控系统中，但是为了避免出现饥饿现象，四种类型的队列发送顺序在系统运行过程中实际上按照最高响应比优先(Highest Response Ratio Next，HRRA)的原则排队发送。
作为本发明实施例中量子-经典混合架构下多任务调度方法，进一步地，服务器端按照任务对应的比特顺序将执行结果进行拆解，以获取各个用户的反馈结果。
多任务调度原理是将一段时间内陆续到达的任务进行合并，并且按照一定的顺序发送到测控系统上，待到测控系统返回结果之后，多任务调度服务端对其进行结果拆分，之后再返回给各用户。测控系统返回的结果是合并后任务的所有任务的“总结果”，服务端按照任务对应的比特顺序将其拆解。例如有三个任务执行，返回“总结果”中的会出现“000”、“010”、“011”样式的结果，第二个任务“1”的概率则为字符串中第二个字符为“1”的所有字符串的概率总和，第二个任务的“0”的概率则为字符串中第二个字符为“0”的所有字符串的概率总和。如图5所示，多任务调度方案实际上完成了对于多个任务的合并与结果的拆分。
进一步地，基于上述的方法，本发明实施例还提供一种量子-经典混合架构下多任务调度系统，用于量子计算机测控系统前端传送的任务调度，包含：任务合并模块、任务执行模块和执行反馈模块，其中，
任务合并模块，用于服务器端将传送至的各用户任务进行合并，使得多个任务在量子计算机上可同时运行；并根据合并后任务不同特点将其划分到不同任务队列中；
任务执行模块，用于量子计算机测控系统按照任务队列发送顺序依次执行，并将执行结果反馈至服务器端；
执行反馈模块，用于服务器端将反馈的执行结果进行拆分并反馈至各用户。
进一步地，作为本发明实施例中量子-经典混合架构下多任务调度系统，进一步地，任务合并模块还包含：规则设定子模块、任务筛选子模块和任务检查子模块，其中，
规则设定子模块，用于设定合并规则，该合并规则至少包含：依据即将合并的任务门线路深度是否在合理范围、任务所使用的量子比特数目是否超过量子芯片总比特数及任务所必须使用指定量子比特情形；
任务筛选子模块，用于依据任务门操作次数是否符合量子芯片所支持的最大门操作次数，若不符合则去掉相关任务，不予执行；
任务检查子模块，用于采用可串行化调度策略对任务需要使用指定的比特资源进行检查。
进一步地，基于上述的方法，本发明实施例还提供一种量子计算机系统架构，基于量子-经典混合架构实现多任务调度，包含：与测控设备连接的硬件综合管控系统，所述硬件综合管控系统包含用于与用户任务交互的Web端，及用于依据Web端传送任务进行任务调度的服务器端；该服务器端基于上述的量子-经典混合架构下多任务调度方法来实现任务调度。
参见图4所示，在不改动现有测控系统的条件下，在其之上建立多任务调度方案，并封装在量子计算机测控系统的多任务调度模块中，该多任务调度模块采用“Web端+服务器端”的形式实现。Web端负责与多用户、多任务交互，用户可以直接通过Web端提交任务并执行，执行结果以及使用量子比特资源情况也会统一展示在Web端。而服务器端封装多任务调度算法，包括了比特资源合并规则、任务分类排队规则以及比特资源拆分规则，负责任务的分发以及结果的回收。图4展示了本发明实施例中多任务调度方案，虚线框内灰色区域标注了多任务调度模块在整个量子计算机系统所处的位置。多任务合并方案采用了比特数量约束、门线路深度约束等方式进行判断，将满足比特数量要求以及门线路深度的多个任务进行合并，进而初步过滤不能进行合并的多个任务。多任务调度就绪队列中，采用多类队列的方式进行排列，依据不同的任务特点，将其排列在不同的就绪队列中。为了避免产生饥饿，各队列之间采用最高相应比优先的算法进行排队。并进一步通过实例在真实量子计算机上执行量子比特资源的调度功能，演示并验证本案在研发支持比特资源调度的量子操作系统的可行性。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、系统和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述系统的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种量子-经典混合架构下多任务调度方法，用于量子计算机硬件综合管控系统前端传送的任务调度，其特征在于，包含如下内容：
服务器端将传送至的各用户任务进行合并，使得多个任务在量子计算机上可同时运行；并根据合并后任务不同特点将其划分到不同任务队列中；
量子计算机硬件综合管控系统按照任务队列发送顺序依次执行，并将执行结果反馈至服务器端；
服务器端将反馈的执行结果进行拆分并反馈至各用户；
依据预设的合并规则将设定时间段内到达的两个或多个任务进行合并；
合并规则包含：依据即将合并的任务门线路深度是否在合理范围、任务所使用的量子比特数目是否超过量子芯片总比特数及任务所必须使用指定量子比特情形，将多个任务进行合并；
若任务门操作次数不符合量子芯片所支持的最大门操作次数，则去掉相关任务，不予执行；采用可串行化调度策略对任务需要使用指定的比特资源进行检查；
根据任务属性将任务划分到不同任务队列中，其中，该任务属性包含：任务门线路深度及任务所使用的量子比特数目。
2.根据权利要求1所述的量子-经典混合架构下多任务调度方法，其特征在于，不同任务队列在量子计算机硬件综合管控系统运行中按照最高响应比优先原则排队发送。
3.根据权利要求1所述的量子-经典混合架构下多任务调度方法，其特征在于，服务器端按照任务对应的比特顺序将执行结果进行拆解，以获取各个用户的反馈结果。
4.一种量子-经典混合架构下多任务调度系统，用于量子计算机硬件综合管控系统前端传送的任务调度，其特征在于，基于权利要求1所述的方法实现，包含：任务合并模块、任务执行模块和执行反馈模块，其中，
任务合并模块，用于服务器端将传送至的各用户任务进行合并，使得多个任务在量子计算机上可同时运行；并根据合并后任务不同特点将其划分到不同任务队列中；
任务执行模块，用于量子计算机硬件综合管控系统按照任务队列发送顺序依次执行，并将执行结果反馈至服务器端；
执行反馈模块，用于服务器端将反馈的执行结果进行拆分并反馈至各用户。
5.根据权利要求4所述的量子-经典混合架构下多任务调度系统，其特征在于，任务合并模块还包含：规则设定子模块、任务筛选子模块和任务检查子模块，其中，
规则设定子模块，用于设定合并规则，该合并规则至少包含：依据即将合并的任务门线路深度是否在合理范围、任务所使用的量子比特数目是否超过量子芯片总比特数及任务所必须使用指定量子比特情形；
任务筛选子模块，用于依据任务门操作次数是否符合量子芯片所支持的最大门操作次数，若不符合则去掉相关任务，不予执行；
任务检查子模块，用于采用可串行化调度策略对任务需要使用指定的比特资源进行检查。
6.一种量子计算机系统架构，基于量子-经典混合架构实现多任务调度，包含：与测控设备连接的硬件综合管控系统，其特征在于，所述硬件综合管控系统包含用于与用户任务交互的Web端，及用于依据Web端传送任务进行任务调度的服务器端；该服务器端基于权利要求1所述的量子-经典混合架构下多任务调度方法来实现任务调度。
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