CN114357685A - 一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，涉及量子计算领域，所述系统包括量子芯片架构定义模块、量子算法及程序测试集合模块、量子程序转化适配及模拟运行模块、监控及数据收集模块、芯片性能展示分析模块；并且，所述系统基于云平台设置，供用户远程访问。本发明对量子芯片的不同体系结构，特别是不同连通性及逻辑门设置下的芯片性能进行模拟分析，并且基于云平台的高性能计算能力，可以支持对多种架构、复杂度较高的量子芯片的体系结构进行高通量的模拟，有效加速量子芯片设计研发的迭代速度。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算领域，特别是涉及一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统。
背景技术
在传统半导体芯片的研发过程中，设计人员需要进行大量的计算以对设计的芯片性能进行模拟预估，从而有效加速研发的迭代速度。与传统半导体芯片研发类似，量子芯片的研发过程中，设计人员也需要进行大量的计算以对设计的芯片性能进行模拟预估，根据模拟预估结果来对芯片设计进行优化，以提升芯片研发的迭代速度，并且由于传统半导体芯片最小单元是三极管，通过系统总线连接，不存在连通性问题，量子芯片则需要考虑连通性等问题。
目前，已经发布的量子计算云平台(例如IBM-Q，QuTech的Quantum Inspire，Rigetti Computing的QCS等)，支持用户在线进行量子计算模拟以及使用芯片运行量子计算程序。但是，已经发布的量子计算云平台并不支持用户进行量子芯片本身的性能模拟分析。并且，当前尚未有可以专门针对量子芯片架构、连通性以及性能等进行模拟分析的平台，因此，量子芯片的设计人员只能基于自身的经验或者简单的计算程序，对设计的量子芯片性能做一定的模拟估计，这种方式，无法满足当前量子芯片日益复杂的设计需要，限制了芯片研发迭代速度的提升。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，为基于云平台的面向量子计算芯片设计的专业模拟分析系统，能够对不同体系结构的量子芯片，特别是不同连通性及逻辑门设置下的芯片性能进行模拟分析。
本发明提供一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，所述系统包括量子芯片架构定义模块、量子算法及程序测试集合模块、量子程序转化适配及模拟运行模块、监控及数据收集模块、芯片性能展示分析模块；
所述量子芯片架构定义模块用于定义特定结构量子芯片的结构参数，所述结构参数包括平面结构或立体几何结构、量子比特之间的连通性、量子比特之间的门操作类型和门操作参数；
所述量子算法及程序测试集合模块用于获取预定义的量子算法及程序测试集合；
所述量子程序转化适配及模拟运行模块包括量子程序转化器、量子程序模拟器；所述量子程序转化器用于将预定义的量子算法及程序测试集合转化为在特定结构量子芯片上运行的量子算法及程序测试集合；所述量子程序模拟用于模拟运行转化前后的量子算法及程序；
所述监控及数据收集模块用于系统整体流程、运行状态监控，返回监控数据，并且用于各个模块的数据回流、存储；
所述芯片性能展示分析模块用于各个模块的数据汇总展示。
于本发明的一实施例中，所述系统工作流程如下：
步骤一：通过量子芯片架构定义模块定义特定结构量子芯片的结构参数，结构参数包括平面结构及立体几何结构、量子比特之间的连通性、量子比特之间的门操作类型和门操作参数；
步骤二：通过量子算法及程序测试集合模块量子芯片架构定义模块获取一组预定义的量子算法及程序测试集合；
步骤三：通过量子程序转化适配及模拟运行模块将预定义的量子算法及程序测试集合转化为在特定结构量子芯片上运行的量子算法及程序测试集合，并且模拟运行转化前后的量子算法及程序；
步骤四：通过监控及数据收集模块收集、存储量子算法及程序转化前后的运行指标参数；
步骤五：通过芯片性能展示分析模块展示量子算法和程序转化前后的运行指标参数，以及运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系。
于本发明的一实施例中，所述特定结构量子芯片的结构参数为一系列量子芯片的结构参数或者为一个量子芯片的结构参数。
于本发明的一实施例中，所述芯片性能展示分析模块通过表格形式、图形形式展示量子算法和程序转化前后的运行指标参数，以及运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系。
于本发明的一实施例中，所述系统基于云平台设置，供用户远程访问。
于本发明的一实施例中，所述云平台包括公有云、私有云、混合云，所述系统部署在本地服务器、电脑，用户使用另外一台电脑或者移动终端，通过浏览器访问使用。
如上所述，本发明的一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，具有以下有益效果：本发明的系统基于云平台，可以模拟分析不同结构和设计下的量子芯片性能，特别是对量子芯片不同几何结构、不同连通性设计、不同门操作类型等关键设计进行模拟，从而对量子芯片的性能进行预估和分析，帮助量子芯片设计人员，有效的提升量子芯片的设计效率，效缩短量子芯片研发的迭代周期。
附图说明
图1显示为本发明实施例中公开的基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统框架图。
图2显示为本发明实施例中公开的量子芯片两种不同连通性示意图。
图3显示为本发明实施例中公开的用户视角的系统工作流程示意图。
图4显示为本发明实施例中公开的基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统设计图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，所述系统包括：
(1)量子芯片架构定义模块：
量子芯片架构定义模块主要用于定义特定结构量子芯片的结构参数，包括与用户交互的前端部分，数据存储部分，与其他模块通信的后端部分。
其中，所述结构参数包括：1.平面结构或立体几何结构；2.量子比特之间的连通性；3.量子比特之间的门操作类型和门操作参数；所述连通性是量子比特与量子比特之间的连通性，连通的量子比特可以有量子逻辑门操作，没有连通的量子比特，不应有门操作。
请参阅图2，一个量子芯片的量子比特包括Q0,Q1,……,Q18,Q19，每一条“边”表示量子比特之间是连通的，其门操作类型和门操作参数为“边”的属性参数。
作为一个实施实例，所述量子芯片架构定义模块与用户交互的部分可以为一个图形界面，用户可以通过此图形界面定义量子芯片的结构参数；作为一个实施实例，所述量子芯片架构定义模块与用户交互的部分与此同时还可以为一个配置文档，用户可以通过此配置文档定义量子芯片的结构参数；作为一个实施实例，所述量子芯片架构定义模块与用户交互的部分还可以为一个可编辑的程序代码，用户可以通过修改程序代码中的参数来定义量子芯片的结构参数。
(2)量子算法及程序测试集合模块：
量子算法及程序测试集合模块用于获取预定义的量子算法及程序测试集合，从而对量子芯片的性能进行模拟、评估与分析。用户可以通过量子算法及程序测试集合模块对预定义的量子算法及程序测试集合进行修改，与此同时，用户也可以根据需求重新定义量子算法及程序测试集合。
其中，所述预定义的量子算法及程序测试集合是根据行业经验人为定义的。
(3)量子程序转化适配及模拟运行模块：
量子程序转化适配及模拟运行模块包括：1.量子程序转化器；2.量子程序模拟器；
其中，所述量子程序转化器用于将预定义的量子算法及程序测试集合转化为在特定结构量子芯片上运行的量子算法及程序测试集合；即通过使用程序，例如：QubitMapping(量子比特映像)算法程序将预定义的量子算法及程序转化为量子芯片架构定义模块中所定义的特定结构量子芯片可以运行的量子算法及程序；与此同时，量子程序转化器还定义了接口，用户可以开发新的算法程序，通过接口导入来实现此转化功能。
其中，所述量子程序模拟器用于模拟运行转化前后的量子算法及程序，即基于经典计算机模拟实现模拟运行。
(4)监控及数据收集模块：
监控及数据收集模块用于系统整体的流程、运行状态监控，返回监控数据；并且用于各个模块的数据回流、存储。
具体的，所述监控及数据收集模块主要的功能是对量子程序转化适配及模拟运行模块中运行的量子算法及程序转化前后的运行指标参数进行收集统计、存储。其中，需要进行收集、存储的运行指标参数包括但不限于转化前后不同种类型的门电路个数、电路层数、运行时间等，以及相应的衍生指标参数。
(5)芯片性能展示分析模块：
芯片性能展示分析模块用于各个模块的数据汇总展示，供用户进行分析；展示的内容主要包括量子算法及程序转化前后的运行指标参数，以及运行指标参数与用户定义的特定结构量子芯片架构参数之间的关系。
具体的，展示实例包括展示量子算法和程序转化前后的运行指标参数，例如：门电路个数、电路层数与用户定义特定结构量子芯片的结构中的连通性指标参数的关系，可以是一个表格形式、图形形式的展示。用户可以基于已有的运行指标参数，进行统计或通过简单的函数组合(比如说加、减、乘、除，平均等简单的操作及其组合)来定义新的性能指标参数，也可以展现新定义的指标参数与不同量子芯片结构的关系，可以通过表格形式、图形形式展现。
具体的，所述系统首先对全连通状态的量子芯片进行模拟运行，得到量子算法和程序转化前的运行指标参数)，然后对量子芯片不同几何结构、不同连通性设计、不同门操作类型等关键设计进行模拟运行，得到量子算法和程序转化后的运行指标参数，并且将转化前后的运行指标参数进行对比，供用户选择。
请参阅图3，所述系统对量子芯片不同几何结构、不同连通性设计、不同门操作类型等关键设计进行模拟的流程如下：
步骤一：通过量子芯片架构定义模块定义特定结构量子芯片的结构参数，包括平面结构或立体几何结构、量子比特之间的连通性、量子比特之间的门操作类型和门操作参数；
步骤二：通过量子算法及程序测试集合模块量子芯片架构定义模块获取一组预定义的量子算法及程序测试集合；
步骤三：通过量子程序转化适配及模拟运行模块将预定义的量子算法及程序测试集合转化为在特定结构量子芯片上运行的量子算法及程序测试集合，并且模拟运行转化后的量子算法及程序，生成运行指标参数；
步骤四：通过监控及数据收集模块收集、存储量子算法及程序测试集合的运行指标参数；
步骤五：通过芯片性能展示分析模块展示量子算法和程序测试集的运行指标参数，运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系。
用户使用过程中，主要分为两个流程：
1.首先通过量子芯片架构定义模块定义一系列特定结构量子芯片的结构参数；然后通过量子程序转化适配及模拟运行模块，进行并行化转化、并行化运行；然后通过监控及数据收集模块获取一系列特定结构量子芯片的运行指标参数，运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系，最后，通过芯片性能展示分析模块展示一系列特定结构量子芯片的运行指标参数，运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系；此流程采用并行化转化、并行化运行对一系列特定结构量子芯片进行模拟运行，速度较快，效率较高。
2.首先通过量子芯片架构定义模块定义一个特定结构量子芯片的结构参数，然后通过量子程序转化适配及模拟运行模块，进行转化、运行，然后通过监控及数据收集模块获取此特定结构量子芯片的运行指标参数，根据运行指标参数在定义量子芯片架构模块进行调整，重新定义量子芯片的结构参数，再循环；最后，通过芯片性能展示分析模块展示多组运行指标参数，运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系；此流程支持用户迭代请求，获取更好的量子芯片设计。
其中，所述芯片性能展示分析模块通过表格形式、图形形式展示量子算法和程序测试集的运行指标参数，运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系。
具体的，上述系统基于云平台设置，供用户远程访问；所述云平台包括私有云、公有云、混合云，所述系统部署在本地服务器、电脑，用于使用另外一台电脑或者移动终端，通过浏览器访问使用。
请参阅图4，所述系统可视用户需要部署在公有云、私有云、混合云，用户通过浏览器打开系统所在网址后，浏览器首先从网关服务器下载系统前端代码和静态数据；下载完成后，浏览器加载运行前端代码，使用户在网页内完成量子芯片性能模拟和分析，具体流程如下：
(1)用户向网关服务器完成身份认证与鉴权，常见的方式为用户名+密码。
(2)用户在浏览器内完成量子芯片架构的输入，常见的方式包括加载账户内已有架构、上传本地架构配置文件、创建全新架构等。
(3)用户提交量子芯片架构，网关服务器收到后，将预定义的量子算法及程序测试集合转化为适配用户的目标架构，如转化适配成功，则启动量子程序模拟器运行适配后的量子程序，如转化适配失败，则将错误原因返回给用户并引导其修改量子芯片架构。
其中，用户可以根据需要，开发新的量子算法及程序测试集合。
(4)为了提高转化适配以及模拟运行的效率，本系统通过任务调度器，将任务部署在集群服务上运行，通过伸缩式的任务调度可以使用户在成本与效率中获得平衡。
(5)数据收集器将性能分析的结果及相应指标返回给网关服务器，再通过本系统提供的前端代码获取数据并将结果展示在用户的浏览器中。
(6)用户根据需要进行从第(2)步至第(5)步的迭代过程。
综上所述，本发明对量子芯片的不同体系结构，特别是不同连通性及逻辑门设置下的芯片性能进行模拟分析。本发明基于云平台的高性能计算能力，可以支持对多种架构、复杂度较高的量子芯片的体系结构进行高通量的模拟，可以有效加速量子芯片设计研发的迭代速度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，其特征在于：所述系统包括量子芯片架构定义模块、量子算法及程序测试集合模块、量子程序转化适配及模拟运行模块、监控及数据收集模块、芯片性能展示分析模块；
所述量子芯片架构定义模块用于定义特定结构量子芯片的结构参数，所述结构参数包括平面结构或立体几何结构、量子比特之间的连通性、量子比特之间的门操作类型和门操作参数；
所述量子算法及程序测试集合模块用于获取预定义的量子算法及程序测试集合；
所述量子程序转化适配及模拟运行模块包括量子程序转化器、量子程序模拟器；所述量子程序转化器用于将预定义的量子算法及程序测试集合转化为在特定结构量子芯片上运行的量子算法及程序测试集合；所述量子程序模拟用于模拟运行转化前后的量子算法及程序；
所述监控及数据收集模块用于系统整体流程、运行状态监控，返回监控数据，并且用于各个模块的数据回流、存储；
所述芯片性能展示分析模块用于各个模块的数据汇总展示。
2.根据权利要求1所述的一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，其特征在于，所述系统工作流程如下：
步骤一：通过量子芯片架构定义模块定义特定结构量子芯片的结构参数，结构参数包括平面结构及立体几何结构、量子比特之间的连通性、量子比特之间的门操作类型和门操作参数；
步骤二：通过量子算法及程序测试集合模块量子芯片架构定义模块获取一组预定义的量子算法及程序测试集合；
步骤三：通过量子程序转化适配及模拟运行模块将预定义的量子算法及程序测试集合转化为在特定结构量子芯片上运行的量子算法及程序测试集合，并且模拟运行转化前后的量子算法及程序；
步骤四：通过监控及数据收集模块收集、存储量子算法及程序转化前后的运行指标参数；
步骤五：通过芯片性能展示分析模块展示量子算法和程序转化前后的运行指标参数，以及运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系。
3.根据权利要求2所述的一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，其特征在于：所述特定结构量子芯片的结构参数为一系列量子芯片的结构参数或者为一个量子芯片的结构参数。
4.根据权利要求2所述的一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，其特征在于：所述芯片性能展示分析模块通过表格形式、图形形式展示量子算法和程序转化前后的运行指标参数，以及运行指标参数与特定结构量子芯片的结构参数的关系。
5.根据权利要求1所述的一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，其特征在于：所述系统基于云平台设置，供用户远程访问。
6.根据权利要求5所述的一种基于云平台的量子芯片性能模拟分析系统，其特征在于：所述云平台包括公有云、私有云、混合云，所述系统部署在本地服务器、电脑，用户使用另外一台电脑或者移动终端，通过浏览器访问使用。
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