CN114839905A - 一种量子测控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种量子测控方法及系统，用以解决现有的量子测控系统成本较高且难以进行规模化应用的技术问题。其中，量子测控云端，用于通过量子应用接口调用指定的量子应用，对量子应用进行处理，以获得量子应用对应的测控信息，并将测控信息下发至量子测控设备端；测控信息包括脉冲信号序列，处理包括程序化、编译处理以及数字化；量子测控设备端包括量子处理器芯片，与量子测控云端通过有线网络连接，用于根据测控信息生成对应的测控信号，以根据量子处理器芯片，得到测控信号对应的量子比特信息，并将量子比特信息反馈至量子测控云端，以使量子测控云端将相应的量子计算结果返回至量子应用，量子计算结果是根据量子比特信息得到的。

Description

一种量子测控方法及系统

技术领域

本申请涉及量子计算技术领域，具体涉及一种量子测控方法及系统。

背景技术

随着量子计算机行业的不断发展，量子芯片也得到了更为广泛的应用。为了实现对大规模量子比特的控制，强计算力、高带宽、资源配置灵活、集成化可规模部署的大型量子芯片测控系统，已成为量子计算机行业不可或缺的重要组成部分。

目前，大部分量子计算机测控系统是通过商用仪器设备自行搭建而成的，通过该种方式拼接搭建起来的系统不仅成本昂贵、兼容性差，还存在功能冗余、难以集成等缺点。除此之外，专用的量子测控设备也可应用于量子比特的测控，虽然相较于拼接搭建的测控系统来说，其体积有所缩小，但整个测控系统软硬件都布署于量子芯片端，无法实现资源共享和复用，扩展性及灵活性较差，不利于未来量子计算规模化和产业化应用。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种量子测控系统，系统包括量子应用、量子测控云端和量子测控设备端；

所述量子测控云端，用于通过量子应用接口调用指定的量子应用，对所述量子应用进行处理，以获得所述量子应用对应的测控信息，并将所述测控信息下发至所述量子测控设备端；所述测控信息包括脉冲信号序列，所述处理包括程序化、编译处理以及数字化；

所述量子测控设备端包括量子处理器芯片，与所述量子测控云端通过有线网络连接，用于根据所述测控信息生成对应的测控信号，以根据所述量子处理器芯片，得到所述测控信号对应的量子比特信息，并将所述量子比特信息反馈至所述量子测控云端，以使所述量子测控云端将相应的量子计算结果返回至所述量子应用，所述量子计算结果是根据所述量子比特信息得到的。

在一个示例中，所述量子测控云端包括量子算法库、编译器和数字化库；

所述量子算法库，用于将所述量子应用转化为量子程序；

所述编译器，用于对所述量子程序进行编译处理，以得到相应的量子逻辑门操作序列；

所述数字化库，用于将所述量子逻辑门操作序列转化为数字化的脉冲信号序列；所述脉冲信号序列至少包括所述脉冲信号的波形、频率、相位。

在一个示例中，所述量子测控云端包括测控信息下发模块，用于将所述测控信息下发至所述量子测控设备端；

所述量子测控设备端包括云接口模块，所述云接口模块通过与所述测控信息下发模块的有线网络连接，接收所述测控信息。

在一个示例中，所述量子测控设备端包括第一量子信息处理模块，所述第一量子信息处理模块包括量子信号采集模块和量子信息编码模块；

所述量子信号采集模块，用于采集所述量子处理器芯片输出的量子信号；

所述量子信息编码模块，用于对所述量子信号进行编码，以得到编码后的量子比特信息。

在一个示例中，所述量子测控设备端包括测控信号生成模块，所述测控信号生成模块包括任意波形发生AWG模块、直流DC模块、射频RF模块、控制模块；

所述AWG模块，用于对所述脉冲信号的波形、频率、相位进行整合；

所述DC模块，用于对所述脉冲信号叠加直流偏置；

所述控制模块，用于同步所述脉冲信号；

所述RF模块，用于将所述脉冲信号转换为指定频率的模拟控制脉冲。

在一个示例中，所述量子测控云端设有多个虚拟主机或多个轻量应用容器，所述多个虚拟主机或所述多个轻量容器分别用于处理预设数值的量子比特信息。

在一个示例中，所述量子处理器芯片为具有ARM核的现场可编程门阵列FPGA芯片或数字信号处理DSP芯片；

所述量子处理器芯片设有多个通道和多个板卡，所述多个通道和所述多个板卡分别用于读取预设数值的量子比特信息。

在一个示例中，所述量子测控云端包括第二量子信息处理模块，所述第二量子信息处理模块用于根据所述量子比特信息计算得到对应的量子计算结果。

在一个示例中，所述指定频率对应的频率级别为GHz。

本申请实施例提供了一种量子测控方法，方法包括：

通过量子应用接口调用指定的量子应用，对所述量子应用进行处理，以获得所述量子应用对应的测控信息，并将所述测控信息下发至所述量子测控设备端；所述测控信息包括脉冲信号序列，所述处理包括程序化、编译处理以及数字化；

根据所述测控信息生成对应的测控信号，以根据量子处理器芯片，得到所述测控信号对应的量子比特信息，并将所述量子比特信息反馈至所述量子测控云端，以使所述量子测控云端将相应的量子计算结果返回至所述量子应用，所述量子计算结果是根据所述量子比特信息得到的。

通过本申请提出的一种量子测控方法及系统，能够带来如下有益效果：

通过设置量子测控云端和量子测控设备端，实现了量子测控系统的功能模块化，这样在进行量子计算时，可充分利用云端计算资源，有效降低了量子测控设备端的计算压力，进而缩减了量子测控设备端的部署成本，有利于量子测控系统的规模化部署和产品集成化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种量子测控系统的架构图；

图2为本申请实施例提供的一种量子测控方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种量子测控方法的流程示意图。

其中，100、量子应用，101、量子测控云端，102、量子测控设备端，103、量子应用接口，104、量子算法库，105、编译器，106、数字化库，107、测控信息下发模块，108、云接口模块，109、缓存模块，110、测控信号生成模块，111、量子处理器芯片，112、第一量子信息处理模块，113、量子信息接收模块，114、第二量子信息处理模块，115、AWG模块，116、DC模块，117、控制模块，118、RF模块，119、量子信号采集模块，120、量子信息编码模块。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

量子计算机不具备主板、桥片、内存、外设、电源等结构，其核心结构为量子芯片。量子芯片的控制原理与经典计算机存在不同，量子芯片是由大量量子比特构成的，而每个量子比特表示状态记忆和纠缠态，通过对具有量子算法的量子比特系统进行初始化可以实现量子计算。而基于量子计算(尤其是超导量子计算)对量子芯片的操作是通过量子测控系统来实现的，量子测控系统支撑了量子计算机的正常运行。

如图1所示，本申请实施例提供的一种量子测控系统的架构图，系统包括量子应用100、量子测控云端101和量子测控设备端102。量子测控云端101包括量子应用接口103，量子应用接口103根据应用端发送的应用请求，调用指定的量子应用100。在量子测控云端101获取到具体的量子应用信息之后，可对上述量子应用100进行处理，从而获得量子应用100对应的测控信息，并将测控信息下发至量子测控设备端102。该测控信息包括脉冲信号序列，用于控制量子处理器芯片进行相应的量子计算，当然，测控信息中还包括控制指令，用于控制量子测控设备端102进行其他控制操作。

量子测控设备端102与与量子测控云端101通过有线网络连接，以此实现测控云端和测控设备端之间的通信。此处的有线网络可以是以太网，也可以是自定义时间戳的实时专线网络。量子测控设备端102包括测控信号生成模块110，测控信号生成模块110与量子处理器芯片111相连接，能够根据接收到的测控信息生成相应的测控信号，并将该测控信号发送至量子处理器芯片111，以使量子处理器芯片111执行测控信号中携带的控制逻辑，以得到对应的量子比特信息，并将量子比特信息反馈至量子测控云端101。量子测控云端101在接收到量子比特信息之后，通过信号解调和预设算法处理，根据量子比特信息计算得到量子计算结果。在得到量子计算结果之后，通过量子应用接口103将量子计算结果返回至量子应用，至此，便完成了量子应用的计算过程。

具体地，量子测控云端101包括量子算法库104、编译器105和数字化库106(比如，AWG数字化库)。需要说明的是，量子算法库104、编译器105与量子计算机的量子比特数适应设置，比特数不同，其对应编写的量子算法库104和编译器105也存在不同。量子算法库104用于将获取到的量子应用信息转化为量子程序，进而通过编译器105对量子程序进行编译处理，从而得到相应的量子逻辑门操作序列，该量子逻辑门操作序列能够使得量子比特的逻辑状态发生变化，进而实现量子计算。在对量子程序进行编译处理之后，数字化库106可将量子逻辑门操作序列转化为数字化的脉冲信号序列，其中，脉冲信号序列至少包括脉冲信号的波形、频率和相位。

进一步地，量子测控云端101包括测控信息下发模块107，测控信息下发模块107能够将数字化库106输出的以波形信号存在的测控信息进行打包压缩，并下发至量子测控设备端102。量子测控设备端102包括云接口模块108，云接口模块108通过与测控信息下发模块107的有线网络连接，接收测控信息下发模块107下发的测控信息。

量子测控设备端102包括测控信号生成模块110，测控信号生成模块110根据来自于量子测控云端101的测控信息，生成测控信号，该测控信号为可控制量子处理器芯片111处理逻辑的模拟波形信号。在生成该测控信号后，测控信号生成模块110将测控信号发送至量子处理器芯片111。

测控信号生成模块110包括任意波形发生AWG模块115、直流DC模块116、控制模块117、射频RF模块118。AWG模块115可根据接收到的测控信息，对脉冲信号的波形、频率、相位进行整合，DC模块116对脉冲信号进行直流偏置，控制模块117用于同步脉冲信号以及进行不同模块间的协同控制，RF模块118用于将上述经过整合、直流偏置以及同步的脉冲信号，转换为指定频率的模拟控制脉冲，该指定频率的所在频率级别为GHz。至此，通过测控信号生成模块110的处理，便将来自于量子测控云端101的脉冲信号序列转换为具有特定频率、相位、长度的模拟测控信号，该模拟信号可输入至量子处理器芯片111中以实现对于量子比特的逻辑门操作。

量子处理器芯片111的输入端与测控信号生成模块110相连接，在接收到测控信号生成模块110发送的测控信号后，能够根据测控信号进行量子计算，并根据量子计算结果输出相应的量子信号。量子测控设备端102包括第一量子信息处理模块112，与量子处理器芯片111的输出端相连接，用于对量子处理器芯片111输出的量子信号进行编码处理，从而通过特殊的量子态来表示量子比特，以达到克服消相干的目的，实现量子无损通信。其中，第一量子信息处理模块112包括量子信号采集模块119和量子信息编码模块120。量子信号采集模块119用于采集量子处理器芯片111输出的量子信号，量子信息编码模块120可接收量子信号采集模块119采集到的量子信号，并对量子信号进行编码，得到编码后的量子比特信息。

上述编码后的量子比特信息可通过云接口模块108返回至量子测控云端101。量子测控云端101包括量子信息接收模块113和第二量子信息处理模块114，量子信息接收模块113用于接收经由云接口模块108发送的量子比特信息，第二量子信息处理模块114与量子信息接收模块113相连接。由于量子的不确定性，为提高计算结果的准确度，第二量子信息处理模块114需通过预设算法，对接收到的量子比特信息进行进一步的精确计算，从而得到最终的量子计算结果。

量子测控云端101包括量子算法库104、编译器105和数字化库106。其中，量子算法库104可将量子应用转化为适用于量子计算机的量子程序，编译器105对量子程序进行编译处理，从而将量子程序转化为量子逻辑门操作序列，数字化库106将量子逻辑门操作序列转化为数字化的脉冲信号序列，脉冲信号序列至少包括脉冲信号的波形、频率、相位。

量子测控设备端102还包括缓存模块109，其为设置于内存中的缓冲区，缓存模块109一端与云接口模块108相连接，另一端与测控信号生成模块110、第一量子信息处理模块112相连接，用于缓存收发数据，比如测控信息和量子比特信息。这样，测控信号生成模块110和量子信息接收模块113便可从缓存模块109读取已接收到的数据信息，加快数据的读取速度，提高计算性能。

在一个实施例中，为降低运算成本，减小量子计算机的体积，量子处理器芯片111不再采用通用处理器，而是采用具有ARM核的FPGA芯片或DSP芯片，以提高其实时处理能力。量子处理器芯片111设有多个通道和多个板卡，各通道和各板卡分别用于读取预设数值的量子比特信息，这样，便可以通过增加芯片通道数或板卡数对可处理的量子比特数进行扩展，且相较于传统芯片来说，量子处理器芯片111体积更小，有利于板卡的规模化扩展，可支撑更多的量子比特信息的测控。

在一个实施例中，量子测控云端101也可通过扩展量子比特数来提高量子计算机的运算能力。量子测控云端101设置有多个虚拟主机或多个轻量应用容器，各虚线主机或各轻量应用容器分别用于处理预设数值的量子比特信息，通过增加虚拟主机或轻量应用容器的数量，便可能够增加测控云端的扩展性。

本申请实施例对量子测控系统进行了模块化分割，将量子测控系统分为量子应用、量子测控云端和量子测控设备端三个层面。对于量子应用程序化、编译处理、数字化、量子信息处理这种对计算能力、网络资源、虚拟化需求更大的模块，将上述功能模块布置于云端，可以充分利用云计算资源的优势，在提高量子计算机运算能力的同时，还能够提高部署的便利性。对于测控信号生成、量子信号采集及量子信号编码这种与量子处理器芯片关联较为密切的功能模块，其对于计算资源的需求较小，但实时性需求较高，将其与云端计算资源分开设置，能够有效降低量子设备端的成本，减小设备体积，有利于产品的集成与产业化。

以上为本申请提出的系统实施例。基于同样的思路，本说明书一个或多个实施例还提供了上述系统对应的方法，如图2所示，方法包括：

S201：通过量子应用接口调用指定的量子应用，对量子应用进行处理，以获得量子应用对应的测控信息，并将测控信息下发至量子测控设备端；测控信息包括脉冲信号序列，处理包括程序化、编译处理以及数字化。

S202：根据测控信息生成对应的测控信号，以根据量子处理器芯片，得到测控信号对应的量子比特信息，并将量子比特信息反馈至量子测控云端，以使量子测控云端将相应的量子计算结果返回至量子应用，量子计算结果是根据量子比特信息得到的。

图3为本申请实施例提供的另一种量子测控方法的流程示意图。如图3所示，在量子应用发出应用请求后，量子测控接口可接收该应用请求，并根据该应用请求，调用指定的量子应用，并在对量子应用进行程序化、编译处理和数字化后，得到测控信息。量子测控云端将测控信息下发至量子测控设备端后，量子测控设备端能够根据接收到的测控信息生成测控信号，并将测控信号发送至量子处理器芯片，以得到相应的处理结果即量子信号。在完成对量子信号的编码、计算等量子信息处理过程后，将最终得到的量子计算结果经由量子测控接口返回至量子应用中。至此，量子应用便完成了量子计算。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种量子测控系统，其特征在于，所述系统包括量子应用、量子测控云端和量子测控设备端；

所述量子测控云端，用于通过量子应用接口调用指定的量子应用，对所述量子应用进行处理，以获得所述量子应用对应的测控信息，并将所述测控信息下发至所述量子测控设备端；所述测控信息包括脉冲信号序列，所述处理包括程序化、编译处理以及数字化；

所述量子测控设备端包括量子处理器芯片，与所述量子测控云端通过有线网络连接，用于根据所述测控信息生成对应的测控信号，以根据所述量子处理器芯片，得到所述测控信号对应的量子比特信息，并将所述量子比特信息反馈至所述量子测控云端，以使所述量子测控云端将相应的量子计算结果返回至所述量子应用，所述量子计算结果是根据所述量子比特信息得到的。

2.根据权利要求1所述的一种量子测控系统，其特征在于，所述量子测控云端包括量子算法库、编译器和数字化库；

所述量子算法库，用于将所述量子应用转化为量子程序；

所述编译器，用于对所述量子程序进行编译处理，以得到相应的量子逻辑门操作序列；

所述数字化库，用于将所述量子逻辑门操作序列转化为数字化的脉冲信号序列；所述脉冲信号序列至少包括所述脉冲信号的波形、频率、相位。

3.根据权利要求1所述的一种量子测控系统，其特征在于，所述量子测控云端包括测控信息下发模块，用于将所述测控信息下发至所述量子测控设备端；

所述量子测控设备端包括云接口模块，所述云接口模块通过与所述测控信息下发模块的有线网络连接，接收所述测控信息。

4.根据权利要求1所述的一种量子测控系统，其特征在于，所述量子测控设备端包括第一量子信息处理模块，所述第一量子信息处理模块包括量子信号采集模块和量子信息编码模块；

所述量子信号采集模块，用于采集所述量子处理器芯片输出的量子信号；

所述量子信息编码模块，用于对所述量子信号进行编码，以得到编码后的量子比特信息。

5.根据权利要求2所述的一种量子测控系统，其特征在于，所述量子测控设备端包括测控信号生成模块，所述测控信号生成模块包括任意波形发生AWG模块、直流DC模块、射频RF模块、控制模块；

所述AWG模块，用于对所述脉冲信号的波形、频率、相位进行整合；

所述DC模块，用于对所述脉冲信号叠加直流偏置；

所述控制模块，用于同步所述脉冲信号；

所述RF模块，用于将所述脉冲信号转换为指定频率的模拟控制脉冲。

6.根据权利要求1所述的一种量子测控系统，其特征在于，所述量子测控云端设有多个虚拟主机或多个轻量应用容器，所述多个虚拟主机或所述多个轻量容器分别用于处理预设数值的量子比特信息。

7.根据权利要求1所述的一种量子测控系统，其特征在于，所述量子处理器芯片为具有ARM核的现场可编程门阵列FPGA芯片或数字信号处理DSP芯片；

所述量子处理器芯片设有多个通道和多个板卡，所述多个通道和所述多个板卡分别用于读取预设数值的量子比特信息。

8.根据权利要求1所述的一种量子测控系统，其特征在于，所述量子测控云端包括第二量子信息处理模块，所述第二量子信息处理模块用于根据所述量子比特信息计算得到对应的量子计算结果。

9.根据权利要求5所述的一种量子测控系统，其特征在于，所述指定频率对应的频率级别为GHz。

10.一种量子测控方法，其特征在于，所述方法包括：

通过量子应用接口调用指定的量子应用，对所述量子应用进行处理，以获得所述量子应用对应的测控信息，并将所述测控信息下发至所述量子测控设备端；所述测控信息包括脉冲信号序列，所述处理包括程序化、编译处理以及数字化；

根据所述测控信息生成对应的测控信号，以根据量子处理器芯片，得到所述测控信号对应的量子比特信息，并将所述量子比特信息反馈至所述量子测控云端，以使所述量子测控云端将相应的量子计算结果返回至所述量子应用，所述量子计算结果是根据所述量子比特信息得到的。

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