CN113240122A - 量子计算机操作系统以及量子计算机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子计算机操作系统以及量子计算机，通过量子比特校准任务模块中的模型对发生信号异常的量子比特的输出信号进行实时有效的识别，具体为建立当前信号异常与各项参数间的关联度，并按照关联度的大小依次对所述量子比特进行对应参数的校准操作，直至量子比特的性能恢复正常。基于这种方案，量子计算机操作系统可以及时有效地分辨出量子比特具体哪个参数发生了信号异常，并针对性地进行自动校准，在一定程度上提高了量子计算任务的执行效率以及量子计算机的性能。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算领域，尤其是涉及一种量子计算机操作系统以及量子计算机。
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。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来，信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利，也就更能确保运算具备精准性。
操作系统对计算机的重要性不言而喻，对经典计算机如此，对还在初期发展中的量子计算机技术更是如此。量子计算机操作系统决定了量子计算机的功能、计算效率、稳定性，进而决定了量子计算机的实用程度。量子计算机操作系统是量子计算机中连接终端和量子计算机的核心部件量子芯片的工具，通过量子操作系统实现量子芯片上量子比特的校准是量子操作系统急需具备的功能。
因此，提供一种带有量子比特信号异常判断和校准的量子计算机操作系统成为本领域亟待解决的技术问题。
需要说明的是，公开于本申请背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种量子计算机操作系统以及量子计算机，用于解决现有技术中在量子比特的性能异常时，无法及时获取到具体参数漂移情况并进行校准的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种量子计算机操作系统，包括：
量子比特校准任务模块，其被配置为执行以下处理：
使用模型对指定量子比特输出信号对应的信号异常进行分析，获取当前信号异常与量子比特的各项参数的关联度，并按照所述关联度从大到小的顺序调度校准操作任务，其中，所述模型为使用多组数据通过机器学习训练得到的，所述多组数据中的每组数据均包括用于训练的量子比特的输出信号以及表示信号异常与参数的关联度的标签；
通信模块，其被配置为将对应的校准操作任务发送给量子比特校准设备，以用于对所述指定量子比特执行校准。
可选地，还包括：
量子芯片分析模块，其被配置为基于量子芯片的硬件结构以及第一数据，分析所述量子芯片中出现信号异常的量子比特，所述出现信号异常的量子比特为所述指定量子比特，其中，所述第一数据由所述量子芯片在执行上一次量子计算任务的结果以及上一次量子比特的校准操作结果确定。
可选地，所述通信模块还用于将所述量子芯片中指定量子比特的数据发送给量子资源优化模块；
所述量子资源优化模块用于基于所述指定量子比特以及量子计算任务在所述量子芯片上划分任务执行区域以及待校准区域。
可选地，所述量子计算机操作系统还包括：
量子计算任务编译服务模块，其被配置执行以下处理：
获取所述量子计算任务；
基于所述任务执行区域中拓扑结构，对所述量子计算任务进行编译；
所述通信模块还用于将编译后的量子计算任务发送给所述任务执行区域中的量子比特，以用于量子计算。
可选地，所述任务执行区域内的量子比特的数量大于等于所述量子计算任务所需的量子比特的数量。
可选地，所述量子资源优化模块还用于基于所述量子比特校准设备的结果在所述量子芯片上划分所述任务执行区域以及所述待校准区域；
其中，当所述量子比特校准设备的结果为校准完成，则在执行下次量子计算任务时将对应的量子比特划分到所述任务执行区域；当所述量子比特校准设备的结果为校准未完成，则在执行下次量子计算任务时将对应的量子比特划分到所述待校准区域。
可选地，所述量子比特校准任务模块还用于在对一参数执行校准操作后，判断量子比特的输出信号为发生信号异常时，则将该参数标记为已排查参数。
可选地，所述量子比特校准任务模块按照以下方式调度校准操作任务：
获取除所述已排查参数外的参数中与当前信号异常的关联度最大的参数，并进行调度校准操作任务。
基于同一发明构思，本发明还提出一种量子计算机，包括第一量子计算硬件设备，其中，在第一量子计算硬件设备上设置根据上述特征描述中的任何一项所述的量子计算机操作系统、以及
与第一量子计算硬件设备通信的第二量子计算硬件设备，包括量子芯片，其中，所述量子计算机操作系统的通信模块将量子计算任务发送给所述量子芯片，以用于执行量子计算任务。
基于同一发明构思，本发明还提出一种量子计算机可读存储介质，存储有一个或多个量子计算机可执行指令，当该量子计算机可执行指令被量子计算机执行时，实现根据上述特征描述中任一项所述的量子计算机操作系统。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的量子计算机操作系统，通过量子比特校准任务模块中的模型对发生信号异常的量子比特的输出信号进行实时有效的识别，具体为建立当前信号异常与各项参数间的关联度，并按照关联度的大小依次对所述量子比特进行对应参数的校准操作，直至量子比特的性能恢复正常。基于这种方案，量子计算机操作系统可以及时有效地分辨出量子比特具体哪个参数发生了信号异常，并针对性地进行自动校准，在一定程度上提高了量子计算任务的执行效率以及量子计算机的性能。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种量子计算机操作系统的示意性模块图；
图2为本发明实施例中的一种量子芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例提出的一种量子计算机的结构框图；
其中，10-第一量子计算硬件设备，11-处理器，12-存储器，100-量子计算机操作系统，101-量子比特校准任务模块，102-通信模块，103-量子芯片分析模块，104-量子资源优化模块，105-量子计算任务编译服务模块，20-第二量子计算硬件设备，21-量子芯片。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
发明人发现，在量子计算机具体应用时，某个量子芯片在执行量子计算任务时，该量子芯片中的某个量子比特的性能出现异常情况，量子计算机操作系统是无法及时获取到具体哪个参数发生漂移。现有技术中针对这个问题，通常是利用工作人员根据过往经验依据量子比特的输出信号进行判断，这种方案效率较低，极大地影响了量子计算任务的执行效率。
基于上述发现，发明人提出一种具有量子比特校准任务模块的量子计算机操作系统，所述量子比特校准任务模块具有通过机器学习训练并建立对应的模型，使用模型对量子比特的输出信号对应的信号异常进行分析，获取当前信号异常与量子比特的各项参数的关联度，这样可以实现实时地获取量子比特参数漂移的情况。以下结合具体实施例来详细阐述本申请的核心思想：
请参考图1，本实施例提出一种量子计算机操作系统100，包括量子比特校准任务模块101以及通信模块102，所述量子比特校准任务模块101被配置为执行以下处理：使用模型对指定量子比特输出信号对应的信号异常进行分析，获取当前信号异常与量子比特的各项参数的关联度，并按照所述关联度从大到小的顺序调度校准操作任务，其中，所述模型为使用多组数据通过机器学习训练得到的，所述多组数据中的每组数据均包括用于训练的量子比特的输出信号以及表示信号异常与参数的关联度的标签。所述通信模块102被配置为将对应的校准操作任务发送给量子比特校准设备，以用于对所述指定量子比特执行校准。
与现有技术不同之处在于，本实施例提出的量子计算机操作系统100，通过量子比特校准任务模块101中的模型对发生信号异常的量子比特的输出信号进行实时有效的识别，具体为建立当前信号异常与各项参数间的关联度，并按照关联度的大小依次对所述量子比特进行对应参数的校准操作，直至量子比特的性能恢复正常。基于这种方案，量子计算机操作系统100可以及时有效地分辨出量子比特具体哪个参数发生了信号异常，并针对性地进行自动校准，在一定程度上提高了量子计算任务的执行效率以及量子计算机的性能。
由于量子芯片在上线使用时，量子芯片上的量子比特的状态会实时发生变化，需要量子计算机操作系统100具备实时监控量子芯片上量子比特状态的能力。具体地，所述量子计算机操作系统100还可包括量子芯片分析模块103，所述量子芯片分析模块103被配置为基于量子芯片的硬件结构以及第一数据，分析所述量子芯片中出现信号异常的量子比特，所述出现信号异常的量子比特为所述指定量子比特，其中，所述第一数据由所述量子芯片在执行上一次量子计算任务的结果以及上一次量子比特的校准操作结果确定。请参考图2，图2为一种9个量子比特的量子芯片的结构示意图，假设执行上一次量子计算任务时利用了量子比特q1、q2、q3以及q4，并且根据量子计算任务的结果显示量子比特q3出现异常，则将量子比特q3标记为所述指定量子比特；或者在上一次针对量子比特q2的校准操作，其结果显示为未校准完成，则将量子比特q2标记为所述指定量子比特。在所述量子芯片分析模块103工作的过程中，实际上涉及到很多功能模块之间的信息交互，例如，在根据上一次量子计算任务的结果来判断量子比特状态时，需要用于执行量子计算任务的模块利用通信模块102发送相应的执行结果给所述量子芯片分析模块103，在根据上一次量子比特校准操作的结果来判断量子比特状态时，需要量子比特校准设备利用通信模块102发送相应的校准结果给所述量子芯片分析模块103。所述量子芯片分析模块103还需要跟其它的功能模块进行信息交互，在此不一一赘述。基于上述策略，所述量子计算机操作系统100可以实现实时监控量子芯片上量子比特状态。
跟经典计算机操作系统不同，在向量子芯片分配量子计算任务时，需要量子计算机操作系统100充分考虑量子芯片的当前状态。所述量子计算机操作系统100还包括量子资源优化模块104，所述通信模块102还用于将所述量子芯片中指定量子比特的数据发送给量子资源优化模块104，所述量子资源优化模块104用于基于所述指定量子比特以及量子计算任务在所述量子芯片上划分任务执行区域以及待校准区域。继续以图2所示的量子芯片为例，假设当前量子比特q3、q6为所述指定量子比特，当前的量子计算任务需要4个量子比特来进行执行，此时所述量子资源优化模块104会将量子比特q3、q6划分到待校准区域内以进行校准操作，量子资源优化模块104将量子比特q1、q2、q4、q5、q7、q8、q9划分到任务执行区域内以进行量子计算任务，本领域技术人员可以理解的是，在所述量子资源优化模块104划分所述任务执行区域时，只要所述任务执行区域内量子比特的拓扑结构能满足当前量子计算任务需要的量子比特即可，并不需要将除待校准区域外的所有量子比特划分到所述任务区域内。
进一步地，所述量子资源优化模块104还可用于基于所述量子比特校准设备的结果在所述量子芯片上划分所述任务执行区域以及所述待校准区域。其中，当所述量子比特校准设备的结果为校准完成，则在执行下次量子计算任务时将对应的量子比特划分到所述任务执行区域；当所述量子比特校准设备的结果为校准未完成，则在执行下次量子计算任务时将对应的量子比特划分到所述待校准区域。
可选地，所述任务执行区域内的量子比特的数量大于等于所述量子计算任务所需的量子比特的数量。
可选地，所述量子计算机操作系统100还可包括：
量子计算任务编译服务模块105，其被配置执行以下处理：
获取所述量子计算任务；
基于所述任务执行区域中拓扑结构，对所述量子计算任务进行编译；
所述通信模块102还用于将编译后的量子计算任务发送给所述任务执行区域中的量子比特，以用于量子计算。
可选地，所述量子比特校准任务模块101还用于在对一参数执行校准操作后，判断量子比特的输出信号为发生信号异常时，则将该参数标记为已排查参数。
具体地，所述量子比特校准任务模块101按照以下方式调度校准操作任务：
获取除所述已排查参数外的参数中与当前信号异常的关联度最大的参数，并进行调度校准操作任务。
请参考图3，基于同一发明构思，本实施例还提出一种量子计算机，包括第一量子计算硬件设备10，其中，在第一量子计算硬件设备10上设置根据上述特征描述中的任何一项所述的量子计算机操作系统100、以及
与第一量子计算硬件设备10通信的第二量子计算硬件设备20，包括量子芯片21，其中，所述量子计算机操作系统100的通信模块102将量子计算任务发送给所述量子芯片21，以用于执行量子计算任务。在第一量子计算硬件设备10上设置量子计算机操作系统100。第一量子计算硬件设备10可以包括处理器11，并且还可以包括存储器12。可以通过处理器11和存储器12实现量子计算机操作系统100。第二量子计算硬件设备20与第一量子计算硬件设备10通信。第二量子计算硬件设备20包括量子芯片21。量子计算机操作系统100包括通信模块。量子计算机操作系统100产生量子计算任务。通信模块将量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备20，以用于执行量子计算。量子计算机操作系统100是管理量子计算软件和硬件资源的计算机程序。
基于同一发明构思，本实施例还提出一种量子计算机可读存储介质，存储有一个或多个量子计算机可执行指令，当该量子计算机可执行指令被量子计算机执行时，实现根据上述特征描述中任一项所述的量子计算机操作系统。
量子计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。量子计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。量子计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
这里所描述的量子计算机的可执行指令可以从量子计算机可读存储介质下载到各个量子计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部量子计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个量子计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于实现量子计算机操作系统的可执行指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码、中间代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。可执行指令可以完全地在量子计算机上执行、部分地在量子计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在本地量子计算机上部分在远程量子计算机上执行、或者完全在远程量子计算机或服务器上执行。在涉及远程量子计算机的情形中，远程量子计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到本地量子计算机，或者，可以连接到外部量子计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用量子计算机的可执行指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行量子计算机的可执行指令，从而实现这里的各个实施例。
这里参照根据这里实施例的量子计算机操作系统、量子计算机和计算机程序产品的框图描述了本公开的各个方面。应当理解，框图的每个方框以及各方框的组合，都可以由量子计算机的可执行指令实现。
这些量子计算机可执行指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种量子计算机器，使得这些指令在通过量子计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些可执行指令存储在量子计算机可读存储介质中，这些指令使得量子计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的量子计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现框图中的一个或多个方框中规定的功能/处理的各个方面的指令。
也可以把量子计算机可读程序指令加载到量子计算机、其它可编程量子数据处理装置、或其它量子设备上，使得在量子计算机、其它可编程量子数据处理装置或其它量子设备上执行一系列处理，以产生量子计算机实现的过程，从而使得在量子计算机、其它可编程量子数据处理装置、或其它量子设备上执行的指令实现框图中的一个或多个方框中规定的功能/处理。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种量子计算机操作系统，其特征在于，包括：
量子比特校准任务模块，其被配置为执行以下处理：
使用模型对指定量子比特输出信号对应的信号异常进行分析，获取当前信号异常与量子比特的各项参数的关联度，并按照所述关联度从大到小的顺序调度校准操作任务，其中，所述模型为使用多组数据通过机器学习训练得到的，所述多组数据中的每组数据均包括用于训练的量子比特的输出信号以及表示信号异常与参数的关联度的标签；
通信模块，其被配置为将对应的校准操作任务发送给量子比特校准设备，以用于对所述指定量子比特执行校准。
2.如权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，还包括：
量子芯片分析模块，其被配置为基于量子芯片的硬件结构以及第一数据，分析所述量子芯片中出现信号异常的量子比特，所述出现信号异常的量子比特为所述指定量子比特，其中，所述第一数据由所述量子芯片在执行上一次量子计算任务的结果以及上一次量子比特的校准操作结果确定。
3.如权利要求2所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述通信模块还用于将所述量子芯片中指定量子比特的数据发送给量子资源优化模块；
所述量子资源优化模块用于基于所述指定量子比特以及量子计算任务在所述量子芯片上划分任务执行区域以及待校准区域。
4.如权利要求3所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述量子计算机操作系统还包括：
量子计算任务编译服务模块，其被配置执行以下处理：
获取所述量子计算任务；
基于所述任务执行区域中拓扑结构，对所述量子计算任务进行编译；
所述通信模块还用于将编译后的量子计算任务发送给所述任务执行区域中的量子比特，以用于量子计算。
5.如权利要求4所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述任务执行区域内的量子比特的数量大于等于所述量子计算任务所需的量子比特的数量。
6.如权利要求3所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述量子资源优化模块还用于基于所述量子比特校准设备的结果在所述量子芯片上划分所述任务执行区域以及所述待校准区域；
其中，当所述量子比特校准设备的结果为校准完成，则在执行下次量子计算任务时将对应的量子比特划分到所述任务执行区域；当所述量子比特校准设备的结果为校准未完成，则在执行下次量子计算任务时将对应的量子比特划分到所述待校准区域。
7.如权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述量子比特校准任务模块还用于在对一参数执行校准操作后，判断量子比特的输出信号为发生信号异常时，则将该参数标记为已排查参数。
8.如权利要求7所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述量子比特校准任务模块按照以下方式调度校准操作任务：
获取除所述已排查参数外的参数中与当前信号异常的关联度最大的参数，并进行调度校准操作任务。
9.一种量子计算机，其特征在于，包括第一量子计算硬件设备，其中，在第一量子计算硬件设备上设置根据权利要求1-8中的任何一项所述的量子计算机操作系统、以及
与第一量子计算硬件设备通信的第二量子计算硬件设备，包括量子芯片，其中，所述量子计算机操作系统的通信模块将量子计算任务发送给所述量子芯片，以用于执行量子计算任务。
10.一种量子计算机可读存储介质，其特征在于，存储有一个或多个量子计算机可执行指令，当该量子计算机可执行指令被量子计算机执行时，实现根据权利要求1-8中任一项所述的量子计算机操作系统。
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Publications (1)
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