CN114912620A - 量子计算机操作系统、量子计算机及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

公开了一种量子计算机操作系统和量子计算机。该计算机操作系统包括：量子程序编译优化服务模块，用于实现如下处理：获取待执行的量子程序，获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的量子比特的拓扑结构，基于所述拓扑结构，将量子程序编译成量子计算任务；以及通信模块，用于将量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备，以用于量子计算。

Description

量子计算机操作系统、量子计算机及可读存储介质

技术领域

本公开属于量子计算技术领域，特别是一种量子计算机操作系统、量子计算机及量子计算机可读存储介质。

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。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机因其具有相对普通计算机更高效的处理数学问题的能力，例如，能将破解RSA密钥的时间从数百年加速到数小时，故成为一种正在研究中的关键技术。

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计算效率、稳定性，进而决定了量子计算机的实用程度。目前，量子计算机操作系统还处在研究阶段，业界尚未提出广泛认可的量子计算机操作系统。

因此，需要提供一种新的量子计算机操作系统。

发明内容

本公开的目的是提供一种量子计算机操作系统及量子计算机。这里的实施例它能基于量子计算芯片的拓扑结构生成量子计算任务，提升了量子计算机操作系统的通用性。

本申请的第一实施例提供了一种量子计算机操作系统，包括：量子程序编译优化服务模块，用于实现如下处理：获取待执行的量子程序，获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的量子比特的拓扑结构，基于所述拓扑结构，将量子程序编译成量子计算任务；以及通信模块，用于将量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备，以用于量子计算。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，优选的是，还包括：量子比特管理服务模块，用于实现如下处理：接收来自量子程序编译优化服务模块的量子计算任务，获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的可用量子比特的当前拓扑结构，以及基于当前拓扑结构，从所述量子计算任务中选择待处理量子计算任务，其中，所述待处理量子计算任务所需的量子比特与所述当前拓扑结构匹配；其中，通信模块将所述待处理量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，优选的是，待处理量子计算任务所需的量子比特的数量小于等于所述当前拓扑结构中的量子比特的数量。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，优选的是，拓扑结构是第二量子计算硬件设备的量子芯片中的可用量子比特的当前拓扑结构，以及所述量子程序编译优化服务模块基于所述当前拓扑结构，将量子程序编译成量子计算任务。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，优选的是，还包括：量子比特管理服务模块，用于获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的可用量子比特的当前拓扑结构，以及将所述当前拓扑结构传递给所述量子程序编译优化服务模块。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，优选的是，所述量子程序是中间语言的程序代码。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，优选的是，所述量子计算任务包括量子线路。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，优选的是，还包括：自动化校准服务模块，用于自动测试和校准量子芯片。

如上所述的量子计算机操作系统，其中，优选的是，还包括：量子计算任务调度管理服务模块，用于根据量子计算任务的优先级确定待分配量子计算任务，其中，所述优先级是基于量子计算任务的等待时间和执行时间而确定的。

本申请的第二实施例提供了一种量子计算机，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本申请第一实施例中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第二量子计算硬件设备，以用于执行量子计算。

与现有技术相比，本公开的量子计算机操作系统，包括：量子程序编译优化服务模块，用于实现如下处理：获取待执行的量子程序，获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的量子比特的拓扑结构，基于所述拓扑结构，将量子程序编译成量子计算任务；以及通信模块，用于将量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备，以用于量子计算。本公开中的量子计算机操作系统在进行量子计算任务调度时，结合第二量子计算硬件设备的量子芯片中的量子比特的拓扑结构将量子计算程序编译成与量子芯片拓扑结构匹配的量子计算任务，然后将与量子计算芯片匹配的量子计算任务发送给量子计算芯片进行计算，提升了量子计算机操作系统的通用性。

附图说明

图1为本公开的实施例中的量子计算机的结构框图；

图2为本公开的一个实施例中提供的量子计算机操作系统的示意性模块图；

图3为本公开的另一个实施例中提供的量子计算机操作系统的示意性模块图。

图4为本公开的又一个实施例中提供的量子计算机操作系统的示意性模块图。

附图标记说明：

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，

20－第二量子计算硬件设备，

21－量子芯片，

102－量子程序编译优化服务模块，

104－通信模块，

106－量子比特管理服务模块，

108－自动化校准服务模块，

110－量子计算任务调度管理服务模块。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本公开，而不能解释为对本公开的限制。

应注意到：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布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，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，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了本公开的实施例中的量子计算机的结构框图。

如图1所示，量子计算机包括第一量子计算硬件设备10和第二量子计算硬件设备20。

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。下面参照图2、3、4描述各个实施例的相关模块。

图2为本公开的一个实施例中提供的量子计算机操作系统的示意性模块图。

如图2所示，量子计算机操作系统100包括：量子程序编译优化服务模块102和通信模块104。

量子程序编译优化服务模块102用于实现如下处理：

－获取待执行的量子程序，

－获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的量子比特的拓扑结构，以及

－基于所述拓扑结构，将量子程序编译成量子计算任务。

通信模块104用于将量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备20，以用于量子计算。

由于量子计算的当前限制，经典操作系统的某些组件无法转移到量子操作系统。与传统计算机不同，量子计算机中的计算单元是量子芯片，量子芯片可以有多个不同的种类，例如，超导量子芯片、半导体量子点量子芯片、量子阱量子芯片、光学量子芯片、量子拓扑量子芯片等。各个不同的量子芯片具有不同的特性。因此，如果直接针对每个不同种类的量子芯片设计量子程序，这需要设计人员对于底层的量子芯片有深入的了解。另外，当将这种量子程序移植到其他量子计算机时，由于量子芯片发生变化，因此，需要重新编写量子程序。这些都会给量子计算机的程序设计和使用带来巨大的阻碍。在这个实施例中，在量子计算机操作系统中设置量子程序编译优化服务模块，从而消除了量子程序对应量子芯片的依赖性。通过这种方式，可以使得同样的量子程序能够用于不同的量子芯片。

此外，由于量子芯片在使用时的状态会发生变化，因此，通过利用这里的量子程序编译优化服务模块，可以使得有可能令编译后的量子计算任务适应当前量子芯片的状态。例如，量子计算任务包括量子线路。

例如，量子程序可以是程序源代码或目标代码。在一个实施例中，量子程序是中间语言的程序代码。中间语言可以是处于源编程语言和目标代码语言之间的程序语言。源编程语言更加接近人类的语言，更容易被设计人员理解、使用。设计人员可以更加高效地利用源编程语言设计期望的应用程序。目标代码更容易被量子计算机理解和运行。但是，如前所述，目标代码可能无法兼容不同的量子芯片，也无法考虑量子芯片的特殊性，例如，量子芯片的当前状态变化。因此，对于量子计算机而言，目标代码缺乏灵活性。在这里使用中间语言的程序代码，可以适应量子计算机的特性。例如，相对于源编程语言，中间语言的程序代码更容易被量子程序编译优化服务模块所解析和编译，从而可以提高量子计算机的执行效率和性能。另一方面，量子程序编译优化服务模块可以根据量子计算机的状态，解析和编译中间语言的程序代码。因此，相对于目标代码，中间语言的程序代码能够带来更高的与量子计算机的匹配度和灵活性。

图3示出了本公开的另一个实施例中提供的量子计算机操作系统的示意性模块图。

如图3所示，量子计算机操作系统100包括量子程序编译优化服务模块102和通信模块104。量子程序编译优化服务模块102和通信模块104可以是图2中所示的相应模块，在这里不再重复它们的描述。

此外，量子计算机操作系统100还包括：量子比特管理服务模块106。

在一个实施例中，量子比特管理服务模块106用于实现如下处理：

－接收来自量子程序编译优化服务模块的量子计算任务，

－获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的可用量子比特的当前拓扑结构，以及

－基于当前拓扑结构，从所述量子计算任务中选择待处理量子计算任务，其中，所述待处理量子计算任务所需的量子比特与所述当前拓扑结构匹配。

这里，通信模块104将所述待处理量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备20。

与经典计算机系统不同，在向量子芯片分配量子计算任务时，需要考虑量子芯片的当前状态。否则，可能造成量子芯片的当前状态无法执行所分配的量子计算任务的问题，从而造成量子芯片的计算中断，或降低计算效率。在考虑可用量子比特的当前拓扑结构的情况下选择待处理量子计算任务，可以使得所选择的待处理量子计算任务适应量子芯片的当前状态，避免产生量子芯片无法执行量子计算任务的情况。待处理量子计算任务所需的量子比特的数量可以小于等于所述当前拓扑结构中的量子比特的数量。例如，根据当前量子芯片的占用情况，仅3个量子比特可用。在这种情况下，量子比特管理服务模块106可以选择使用少于3个量子比特的待处理量子计算任务，发送给通信模块104。这样，可以防止需要较多量子比特的量子计算任务对量子芯片的处理造成阻塞。

量子程序编译优化服务模块102也可以在编译时考虑当前量子芯片的状态。在一个例子中，拓扑结构是第二量子计算硬件设备20的量子芯片21中的可用量子比特的当前拓扑结构。量子程序编译优化服务模块102基于当前拓扑结构，将量子程序编译成量子计算任务。

通过，这种方式，量子程序编译优化服务模块102可以使用当前的量子芯片状态，而产生相应的量子计算任务，从而为后续的量子计算任务的分配提供便利，从而提高量子计算机的整体运行性能。

可以由量子比特管理服务模块106将当前拓扑结构传递给量子程序编译优化服务模块102。例如，量子比特管理服务模块106用于获取第二量子计算硬件设备20的量子芯片21中的可用量子比特的当前拓扑结构，以及将当前拓扑结构传递给量子程序编译优化服务模块102。

图4示出了本公开的又一个实施例中提供的量子计算机操作系统的示意性模块图。

如图4所示，量子计算机操作系统100包括量子程序编译优化服务模块102、量子比特管理服务模块106和通信模块104。量子程序编译优化服务模块102、量子比特管理服务模块106和通信模块104可以图2、3中所示的模块，因此，在这里不再重复它们的描述。

此外，量子计算机操作系统100还包括：量子计算任务调度管理服务模块110。

量子计算任务调度管理服务模块110用于根据量子计算任务的优先级确定待分配量子计算任务，其中，所述优先级是基于量子计算任务的等待时间和执行时间而确定的。通过量子计算任务调度管理服务模块110可以在整体上控制量子计算任务的执行情况，防止某个量子计算任务被过分地拖延。

此外，如图4所示，量子计算机操作系统100还可以包括：自动化校准服务模块108。

自动化校准服务模块108用于自动测试和校准量子芯片。自动化校准服务模块108可以通过提高量子比特保真度来提高量子芯片上的量子比特的可用情况。

在另外一个实施例中，可以将上述量子计算机操作系统安装在图1所示的量子计算机中。

可以将这里公开的量子计算机操作系统设置在计算机可读存储介质中。因此，这里公开的实施例还提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有量子计算机操作系统的可执行命令，该可执行命令被处理器执行时，实现这里所描述的量子计算机操作系统。

因此，这里公开的实施例可以包括量子计算机操作系统、量子计算机和/或量子计算机程序产品。量子计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上存储有量子计算机操作系统的可执行命令。

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。

附图中的框图显示了根据本公开的多个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可能实现的体系架构、功能和处理。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的量子计算机可执行指令。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，框图中的每个方框以及方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的量子系统来实现，或者可以用专用硬件与量子计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本公开的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本公开的较佳实施例，但本公开不以图面所示限定实施范围，凡是依照本公开的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本公开的保护范围内。

Claims (11)

1.一种量子计算机操作系统，其特征在于，包括：

量子程序编译优化服务模块，用于实现如下处理：

获取待执行的量子程序，

获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的量子比特的拓扑结构，

基于所述拓扑结构，将量子程序编译成量子计算任务；以及

通信模块，用于将量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备，以用于量子计算。

2.根据权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，还包括：

量子比特管理服务模块，用于实现如下处理：

接收来自量子程序编译优化服务模块的量子计算任务，

获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的可用量子比特的当前拓扑结构，以及

基于当前拓扑结构，从所述量子计算任务中选择待处理量子计算任务，其中，所述待处理量子计算任务所需的量子比特与所述当前拓扑结构匹配；

其中，通信模块将所述待处理量子计算任务发送给第二量子计算硬件设备。

3.根据权利要求2所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述待处理量子计算任务所需的量子比特的数量小于等于所述当前拓扑结构中的量子比特的数量。

4.根据权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述拓扑结构是第二量子计算硬件设备的量子芯片中的可用量子比特的当前拓扑结构，以及所述量子程序编译优化服务模块基于所述当前拓扑结构，将量子程序编译成量子计算任务。

5.根据权利要求4所述的量子计算机操作系统，其特征在于，还包括：

量子比特管理服务模块，用于获取第二量子计算硬件设备的量子芯片中的可用量子比特的当前拓扑结构，以及将所述当前拓扑结构传递给所述量子程序编译优化服务模块。

6.根据权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述量子程序是中间语言的程序代码。

7.根据权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述量子计算任务包括量子线路。

8.根据权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，还包括：

自动化校准服务模块，用于自动测试和校准量子芯片。

9.根据权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，还包括：

量子计算任务调度管理服务模块，用于根据量子计算任务的优先级确定待分配量子计算任务，其中，所述优先级是基于量子计算任务的等待时间和执行时间而确定的。

10.一种量子计算机，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权利要求1－9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第二量子计算硬件设备，以用于执行量子计算。

11.一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，实现根据权利要求1所述的量子计算机操作系统。

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