CN115469979A - 量子控制系统的调度装置、方法以及量子计算机 - Google Patents

量子控制系统的调度装置、方法以及量子计算机 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种量子控制系统的调度装置，包括：任务存储模块，被配置为接收并存储待执行的量子计算任务队列；任务管理模块，被配置为从所述任务存储模块获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求，其中，所述比特资源为所述当前待执行的量子计算任务需要的量子比特；资源管理模块，被配置为接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态。本申请能确保量子控制系统的稳定运行，并保证量子计算任务的正常运行。

Description

量子控制系统的调度装置、方法以及量子计算机
技术领域
本发明属于量子领域，特别涉及一种量子控制系统的调度装置、方法以及量子计算机。
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。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。
量子计算机上搭载运行量子计算的量子芯片，以及为量子芯片提供各种驱动信号的控制系统。随着量子芯片上量子比特的数量越来越多，对应的控制系统越来越复杂，通过对应的输出通道为量子比特提供驱动信号。随着计算效率的需求提升，控制系统需要同时执行多个量子计算任务，且能随时接收新的量子计算任务。而现有技术的控制系统对于接收到的量子计算任务直接下发，若是将量子计算任务分配到执行任务中的量子比特时，会使得对应的控制系统的输出通道出现输出阻塞或输出异常等情况，进而使得量子计算任务的执行出现异常。
发明内容
本申请的目的在于提供一种量子控制系统的调度装置、方法以及量子计算机，以解决现有技术中的不足，本发明能够确保量子控制系统和量子计算任务的稳定运行。
本申请技术方案如下：
本申请一方面提供了一种量子控制系统的调度装置，包括：
任务存储模块，被配置为接收并存储待执行的量子计算任务队列；
任务管理模块，被配置为从所述任务存储模块获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求，其中，所述比特资源为所述当前待执行的量子计算任务需要的量子比特；
资源管理模块，被配置为接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态。
如上所述的量子控制系统的调度装置，进一步的，所述任务管理模块还被配置为依据当前待执行的量子计算任务对应的任务信息发送任务线程资源请求，其中，所述任务线程资源为当前待执行的量子计算任务需要的硬件设备的任务线程；以及
所述资源管理模块还被配置为接收所述任务线程资源请求，并依据任务线程的状态信息分配处于空闲状态的任务线程，并将分配后的任务线程的状态信息标注为工作状态。
如上所述的量子控制系统的调度装置，进一步的，所述任务管理模块还被配置为当前量子计算任务执行完成后，发送资源释放请求；其中，所述资源释放请求用于释放与当前量子计算任务对应的量子比特和任务线程。
如上所述的量子控制系统的调度装置，进一步的，所述资源管理模块还被配置为响应所述资源释放请求并更新量子比特和任务线程的状态信息。
如上所述的量子控制系统的调度装置，进一步的，所述资源管理模块还被配置为当前处于空闲状态的量子比特和任务线程不满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求时，根据更新后的量子比特和任务线程的状态信息分配满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求的处于空闲状态的量子比特和任务线程。
如上所述的量子控制系统的调度装置，进一步的，所述资源管理模块还被配置为当前处于空闲状态的量子比特和任务线程不满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求时，输出资源请求失败指令至所述任务管理模块。
如上所述的量子控制系统的调度装置，进一步的，所述任务管理模块被配置为按照待执行的量子计算任务的优先级从所述任务存储模块获取当前待执行的量子计算任务，其中，优先级高的量子计算任务优先执行。
本申请另一方面提供了一种量子控制系统的调度方法，包括：
接收并存储待执行的量子计算任务队列；
从所述任务存储模块获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求，其中，所述比特资源为所述当前待执行的量子计算任务需要的量子比特；
接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态。
如上所述的量子控制系统的调度方法，进一步的，还包括：
依据当前待执行的量子计算任务对应的任务信息发送任务线程资源请求，其中，所述任务线程资源为当前待执行的量子计算任务所需要的硬件设备的任务线程；
接收所述任务线程资源请求，并依据任务线程的状态信息分配处于空闲状态的任务线程，并将分配后的任务线程的状态信息标注为工作状态。
如上所述的量子控制系统的调度方法，进一步的，还包括：当前量子计算任务执行完成后更新量子比特和任务线程的状态信息。
本申请再一方面提供了一种量子计算机，包括上述的量子控制系统的调度装置，或使用上述的量子控制系统的调度方法对量子计算任务进行调度。
与现有技术相比，本申请通过任务存储模块接收并存储待执行的量子计算任务队列，通过任务管理模块从所述任务存储模块获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送当前待执行的量子计算任务需要的量子比特的比特资源请求，通过资源管理模块为接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态，保证其他的量子计算任务在申请比特资源时，不会出现冲突，确保量子控制系统的稳定运行，并保证量子计算任务的正常运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种量子控制系统的调度装置的示意图；
图2是本申请实施例提供的一种量子控制系统的调度方法的流程图；
图3是本申请实施例提供的另一种量子控制系统的调度方法的流程图一种。
11-任务存储模块，12-任务管理模块，13-资源管理模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种量子比特读取信号的优化方法、装置及量子计算机作进一步详细说明。根据下面说明，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，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。
如图1所示，本申请实施例提供的一种量子控制系统的调度装置，包括：任务存储模块11，被配置为接收并存储待执行的量子计算任务队列；任务管理模块12，被配置为从所述任务存储模块11获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求，其中，所述比特资源为所述当前待执行的量子计算任务需要的量子比特；资源管理模块13，被配置为接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态。
量子计算机的并行能力非常强，可以同时运行多个量子计算任务。量子计算机包括运行计算的量子芯片，以及为量子芯片提供驱动信号的量子控制系统。量子控制系统会根据待执行的量子计算任务提供对应的驱动信号。
量子控制系统内设置有任务存储模块11，用于接收并存储待执行的量子计算任务队列，任务队列中可以包括一个量子计算任务，也可以包括多个量子计算任务，取决于用户的计算需求。并通过任务管理模块12从任务存储模块11中接收待执行的量子计算任务，并获取该量子计算任务对应的任务信息，任务信息包括执行该任务需要的比特数量。根据获得的任务信息进行比特资源请求，请求执行当前量子计算任务的比特资源。量子控制系统中还包括资源管理模块13，资源管理模块13用于依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息管理量子比特的资源。其中，量子比特的状态信息包括工作状态和空闲状态，工作状态即量子比特当前处于执行量子计算任务的状态，空闲状态即量子比特当前未执行量子计算任务，可以对其进行任务分配。
资源管理模块13根据接收到的比特资源请求对量子芯片上当前的比特资源进行分配，将当前待执行的量子计算任务分配到处于空闲状态的量子比特上，并将这些量子比特的状态信息标注为工作状态，以免后续的量子计算任务分配到这些量子比特造成比特资源冲突。资源管理模块13会将分配的与当前待执行的量子计算任务对应的比特资源反馈给任务管理模块12，作为与比特资源请求对应的请求响应，任务管理模块12根据资源管理模块13分配的比特资源即可以按序执行量子计算任务。
本申请通过任务存储模块11接收并存储待执行的量子计算任务队列，通过任务管理模块12从所述任务存储模块11获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送当前待执行的量子计算任务需要的量子比特的比特资源请求，通过资源管理模块13接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态，保证其他的量子计算任务在申请比特资源时，不会出现冲突，确保量子控制系统的稳定运行，并保证量子计算任务的正常运行。
作为本申请实施例的一种实施方式，所述任务管理模块12还被配置为依据当前待执行的量子计算任务对应的任务信息发送任务线程资源请求，其中，所述任务线程资源为当前待执行的量子计算任务需要的硬件设备的任务线程；以及所述资源管理模块13还被配置为接收所述任务线程资源请求，并依据任务线程的状态信息分配处于空闲状态的任务线程，并将分配后的任务线程的状态信息标注为工作状态。
量子控制系统内集成有多个硬件设备，用于为量子比特提供执行量子计算任务所需要的驱动信号，每一个量子计算任务都需要硬件设备的一个任务线程执行。即每个待执行的量子计算任务对应的任务信息不仅包括比特资源，还包括任务线程资源。对于待执行的量子计算任务，不仅量子芯片上的比特资源需要管理和分配，量子控制系统内的任务线程资源也需要管理和分配。
示例的，硬件设备可以包括多个信号源模块，用于提供量子芯片需要的驱动信号，也可以包括FPGA(Field－Programmable Gate Array)，用于对多个信号源的工作进行控制，按照待执行的量子计算任务的要求控制信号源模块输出对应的驱动信号。可以根据FPGA内存可以设置多个任务线程，每个任务线程用于执行一个量子计算任务。对于任务线程资源，由资源管理模块13进行管理和分配。
因此，任务管理模块12从任务存储模块11获取当前待执行的量子计算任务以及与该量子计算任务对应的任务信息，并依据对应的任务信息发送当前待执行的量子计算任务需要的任务线程资源请求，通过资源管理模块13接收任务线程资源请求，并依据量子控制系统内硬件设备的任务线程的状态信息分配处于空闲状态的任务线程，并将分配后的任务线程的状态信息标注为工作状态，保证其他的量子计算任务在申请任务线程资源时，不会出现冲突，确保量子控制系统的稳定运行，并保证量子计算任务的正常运行。
作为本申请实施例的一种实施方式，所述任务管理模块12还被配置为当前量子计算任务执行完成后，发送资源释放请求；其中，所述资源释放请求用于释放与当前量子计算任务对应的量子比特和任务线程。通过及时的发送资源释放请求，请求释放执行完当前量子计算任务的量子比特和任务线程，用于为下一个待执行的量子计算任务的分配，提高量子控制系统和量子芯片的运行效率。
当所述资源管理模块13接收到所述任务管理模块12发送的资源释放请求时，所述资源管理模块13还被配置为响应所述资源释放请求并更新量子比特和任务线程的状态信息。具体的，资源管理模块13在接收到资源释放请求后，将执行当前量子计算任务的量子比特和任务线程的状态信息由工作状态更新为空闲状态。便于在分配其他的待执行的量子计算任务时可以及时的使用已更新的量子比特和任务线程，提高量子控制系统和量子芯片的运行效率。
作为本申请实施例的一种实施方式，所述资源管理模块13还被配置为当前处于空闲状态的量子比特和任务线程不满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求时，根据更新后的量子比特和任务线程的状态信息分配满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求的处于空闲状态的量子比特和任务线程。对于量子芯片而言，量子芯片上的量子比特的资源是有限的，同时，量子控制系统内的任务线程的资源也是有限的。可以想象的是，当需要同时执行的量子计算任务的数量非常多，对应的量子比特资源和任务线程资源需求也非常多，可能会出现处于空闲状态的量子比特和任务线程不满足与下一个待执行的量子计算任务对应的比特资源请求和任务线程资源请求的情况。
当出现处于空闲状态的量子比特和任务线程不满足与下一个待执行的量子计算任务对应的比特资源请求和任务线程资源请求时，资源管理模块13会进行等待，当资源管理模块13根据接收的资源释放请求更新量子比特和任务线程的状态信息后，会判断更新后的量子比特资源和任务线程资源是否满足下一个待执行的量子计算任务对应的比特资源请求和任务线程资源请求，若满足，则进行分配，若不满足，继续等待下一次更新。
作为本申请实施例的一种实施方式，所述资源管理模块13还被配置为当前处于空闲状态的量子比特和任务线程不满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求时，输出资源请求失败指令至所述任务管理模块12，即对应的待执行的量子计算任务无法执行。任务管理模块12可以继续对下一个待执行的量子计算任务发送资源请求。与上述的资源管理模块13会进行等待并根据更新后的量子比特资源和任务线程资源进行判断不同，对于任务管理模块12提出的资源请求及时响应，确保待执行的量子计算任务队列中的其他量子计算任务可以提前执行，提高量子控制系统和量子芯片的利用率。
作为本申请实施例的一种实施方式，所述任务管理模块12被配置为按照待执行的量子计算任务的优先级从所述任务存储模块11获取当前待执行的量子计算任务，其中，优先级高的量子计算任务优先执行。对于任务存储模块11中存储的若干个待执行量子计算任务，每个任务要求的比特数量、任务的执行时间长短、任务的遍历次数、以及每个量子计算任务的深度等信息都是不同的，即量子计算任务是具有优先级的。任务管理模块12按照量子计算任务的优先级的高低从所述任务存储模块11获取当前待执行的量子计算任务，确保优先级高的任务优先执行。
如图2所示，基于同一申请构思，本申请实施例提供一种量子控制系统的调度方法，包括以下步骤：
步骤S10：接收并存储待执行的量子计算任务队列。
步骤S20：获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求，其中，所述比特资源为所述当前待执行的量子计算任务需要的量子比特。
步骤S30：接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态。
接收并存储待执行的量子计算任务队列，任务队列中可以包括一个量子计算任务，也可以包括多个量子计算任务，取决于用户的计算需求。进而从量子计算任务队列中获取当前待执行的量子计算任务，并获取该量子计算任务对应的任务信息，任务信息包括执行该任务需要的比特数量。根据获得的任务信息，既可以进行比特资源请求，请求执行当前量子计算任务的比特资源。再依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息管理量子比特的资源，其中量子比特的状态信息包括工作状态和空闲状态，工作状态即量子比特当前处于执行量子计算任务的状态，空闲状态即量子比特当前未执行量子计算任务，可以对其进行任务的分配。
根据接收到的比特资源请求对量子芯片上当前的比特资源进行分配，将当前待执行的量子计算任务分配到处于空闲状态的量子比特上，并将这些量子比特的状态信息标注为工作状态，以免后续的量子计算任务分配到这些量子比特造成比特资源冲突。
如图3所示，作为本申请实施例的一种实施方式，所述的量子控制系统的调度方法还包括以下步骤：
步骤S21：依据当前待执行的量子计算任务对应的任务信息发送任务线程资源请求，其中，所述任务线程资源为当前待执行的量子计算任务所需要的硬件设备的任务线程。
步骤S31：接收所述任务线程资源请求，并依据任务线程的状态信息分配处于空闲状态的任务线程，并将分配后的任务线程的状态信息标注为工作状态。
为了确保量子芯片运行量子计算任务，需要对应的硬件设备为量子比特提供执行量子计算任务所需要的驱动信号，每一个量子计算任务都需要硬件设备的一个任务线程执行。在硬件设备内可以设置多个任务线程，每个任务线程用于执行一个量子计算任务。因此，每个待执行的量子计算任务对应的任务信息不仅包括比特资源，还包括任务线程资源。对于待执行的量子计算任务，不仅量子芯片上的比特资源需要管理和分配，硬件设备的任务线程资源也需要管理和分配。
首先获取当前待执行的量子计算任务以及与该量子计算任务对应的任务信息，并依据对应的任务信息发送当前待执行的量子计算任务需要的任务线程资源请求；并依据硬件设备的任务线程的状态信息分配处于空闲状态的任务线程，并将分配后的任务线程的状态信息标注为工作状态，保证其他的量子计算任务在申请任务线程资源时，不会出现冲突，并保证量子计算任务的正常运行。
作为本申请实施例的一种实施方式，所述的量子控制系统的调度方法还包括：当前量子计算任务执行完成后更新量子比特和任务线程的状态信息。将执行当前量子计算任务的量子比特和任务线程的状态信息由工作状态更新为空闲状态。便于在分配其他的待执行的量子计算任务时可以及时的使用已更新的量子比特和任务线程，提高量子芯片的运行效率。
基于同一申请构思，本申请实施例提供一种量子计算机，包括上述的量子控制系统的调度装置，或使用上述的量子控制系统的调度方法对量子计算任务进行调度。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种量子控制系统的调度装置，其特征在于，包括：
任务存储模块，被配置为接收并存储待执行的量子计算任务队列；
任务管理模块，被配置为从所述任务存储模块获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求，其中，所述比特资源为所述当前待执行的量子计算任务需要的量子比特；
资源管理模块，被配置为接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态。
2.如权利要求1所述的量子控制系统的调度装置，其特征在于，所述任务管理模块还被配置为依据当前待执行的量子计算任务对应的任务信息发送任务线程资源请求，其中，所述任务线程资源为当前待执行的量子计算任务需要的硬件设备的任务线程；以及
所述资源管理模块还被配置为接收所述任务线程资源请求，并依据任务线程的状态信息分配处于空闲状态的任务线程，并将分配后的任务线程的状态信息标注为工作状态。
3.如权利要求2所述的量子控制系统的调度装置，其特征在于，所述任务管理模块还被配置为当前量子计算任务执行完成后，发送资源释放请求；其中，所述资源释放请求用于释放与当前量子计算任务对应的量子比特和任务线程。
4.如权利要求3所述的量子控制系统的调度装置，其特征在于，所述资源管理模块还被配置为响应所述资源释放请求并更新量子比特和任务线程的状态信息。
5.如权利要求4所述的量子控制系统的调度装置，其特征在于，所述资源管理模块还被配置为当前处于空闲状态的量子比特和任务线程不满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求时，根据更新后的量子比特和任务线程的状态信息分配满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求的处于空闲状态的量子比特和任务线程。
6.如权利要求4所述的量子控制系统的调度装置，其特征在于，所述资源管理模块还被配置为当前处于空闲状态的量子比特和任务线程不满足所述比特资源请求和所述任务线程资源请求时，输出资源请求失败指令至所述任务管理模块。
7.如权利要求1所述的量子控制系统的调度装置，其特征在于，所述任务管理模块被配置为依据待执行的量子计算任务的优先级从所述任务存储模块获取当前待执行的量子计算任务，其中，优先级高的量子计算任务优先执行。
8.一种量子控制系统的调度方法，其特征在于，包括：
接收并存储待执行的量子计算任务队列；
从所述任务存储模块获取当前待执行的量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求，其中，所述比特资源为所述当前待执行的量子计算任务需要的量子比特；
接收所述比特资源请求，并依据量子芯片的物理拓扑结构和量子比特的状态信息分配处于空闲状态的量子比特，并将分配后的量子比特的状态信息标注为工作状态。
9.如权利要求8所述的量子控制系统的调度方法，其特征在于，还包括：
依据当前待执行的量子计算任务对应的任务信息发送任务线程资源请求，其中，所述任务线程资源为当前待执行的量子计算任务所需要的硬件设备的任务线程；
接收所述任务线程资源请求，并依据任务线程的状态信息分配处于空闲状态的任务线程，并将分配后的任务线程的状态信息标注为工作状态。
10.如权利要求9所述的量子控制系统的调度方法，其特征在于，还包括：
当前量子计算任务执行完成后更新量子比特和任务线程的状态信息。
11.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求1－7任一项所述的量子控制系统的调度装置，或使用权利要求8－10任一项所述的量子控制系统的调度方法对量子计算任务进行调度。
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