CN115470915A - 量子计算机的服务器系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种量子计算机的服务器系统及其实现方法，属于量子计算领域，本申请通过任务服务模块接收所有待执行的量子计算任务并存储形成任务队列，通过资源管理服务模块为任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的量子比特资源，通过编译服务模块将所述量子计算任务根据相应的比特资源解析编译成第一数据包，通过数据处理服务模块将所述第一数据包下发至量子控制系统，量子控制系统根据所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成相应的量子计算任务，并且量子控制系统将生成的第二数据包再回传给数据处理服务模块进行解析处理后输出任务执行结果。本申请系统可扩展性强，可满足大规模量子处理器的应用需求。

Description

量子计算机的服务器系统及其实现方法

技术领域

本申请涉及量子信息领域，尤其是涉及一种量子计算机的服务器系统及其实现方法。

背景技术

量子计算机是一种按照量子力学规律运行的物理设备，它能够进行高速的数学和逻辑运算，并存储和处理量子比特信息。由于量子力学具有叠加、相干、纠缠等不同于经典力学的特性，使得量子计算机可以在很短的时间内解决某些在经典计算机上难以解决的问题。

量子计算机与经典计算机一样，其核心都是为了解决某种问题而进行的数学计算，区别在于两者处理数据的方式有本质差异。相比于经典计算机可以直接对经典数据形式进行处理，量子计算机需要将经典形式的数据制备在量子计算机整个系统的初始量子态上，通过一系列幺正操作(也即量子逻辑门)演化为量子计算系统的末态，然后对末态实施量子测量，输出运行结果。

量子计算机输出的运行结果是其对用户输入的量子计算任务的执行结果。量子计算机对量子计算任务的执行需要量子计算机的服务器系统和量子处理器相互配合完成，其中，量子处理器包括量子控制系统和量子芯片，量子控制系统用于操控和测量量子芯片，量子比特集成在量子芯片上。相关技术中量子计算机的服务器系统架构的各功能模块之间相互依赖程度高，可扩展性差，尚可满足现有小规模的量子处理器的应用需求。但随着量子技术的不断研究，在可预期的未来，量子计算机需要解决的量子计算任务肯定会更加复杂，必然会出现大规模甚至超大规模的量子处理器，届时就需要可扩展性强的量子计算机的服务器系统来满足量子处理器的应用需求。

因此，提出一种可扩展性强的量子计算机的服务器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

本申请的目的是提供一种量子计算机服务器系统及其实现方法，用于解决现有技术中的不足，系统可扩展性强，能够满足大规模甚至超大规模的量子处理器的应用需求。

为了实现上述目的，本申请第一方面实施例提供了一种量子计算机的服务器系统，包括：

任务服务模块，用于接收若干个待执行的量子计算任务，所有所述量子计算任务形成任务队列；

资源管理服务模块，用于为所述任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的比特资源，其中，所述比特资源为各个所述量子计算任务需要的量子比特；

编译服务模块，用于基于所述比特资源将相应的所述量子计算任务解析编译成第一数据包；

数据处理服务模块，用于将所述第一数据包下发至量子控制系统，接收所述量子控制系统回传的第二数据包并解析处理后输出任务执行结果；其中，所述量子控制系统用于基于所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成所述量子计算任务。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述系统还包括：

每个所述量子计算任务具有唯一的任务编号，所述系统还包括：

路由服务模块，用于接收所述第二数据包，从所述第二数据包中解析出相应的所述量子计算任务的所述任务编号，并输出所述第二数据包和所述任务编号。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述数据处理服务模块按照所述任务编号获取所述第二数据包并进行解析处理后输出相应的所述量子计算任务的执行结果。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述任务服务模块，包括：

任务存储单元，用于接收若干个待执行的量子计算任务，并存储所有所述量子计算任务形成任务队列；

任务发送单元，用于从所述任务队列中选取互斥的多个所述量子计算任务并下发，其中，互斥的多个所述量子计算任务是为所述比特资源不同的多个所述量子计算任务；

客户机，用于接收所述任务发送单元发送的多个所述量子计算任务并转发给所述编译服务模块。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述资源管理服务模块，包括：

任务管理单元，用于从所述任务队列中获取所述量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求；

资源管理单元，用于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。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述任务管理单元还用于依据所述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所述量子计算任务需要的硬件设备的任务线程；以及

所述资源管理单元还用于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。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述任务管理单元还用于在所述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所述量子计算任务对应的量子比特和任务线程；

所述资源管理单元还用于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。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述编译服务模块，包括：

任务接收单元，用于接收所述量子计算任务以及相应的所述比特资源；

任务判断单元，用于判断所述量子计算任务的长度是否超出预设的阈值，其中，所述阈值根据所述量子控制系统能够运行的最大单元任务的长度进行设置；

编译处理单元，用于在当所述量子计算任务的长度超出所述阈值，将所述量子计算任务分割成若干个子任务，并基于相应的所述比特资源将各所述子任务解析编译成所述第一数据包，其中，分割所得各所述子任务的长度之和等于所述量子计算任务的长度；在当所述量子计算任务的长度未超出所述阈值，则基于相应的所述比特资源将所述量子计算任务解析编译成所述第一数据包。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述系统还包括：

数据库模块，用于存储所述第一数据包和/或所述第二数据包。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述系统还包括：

异常监控服务模块，用于对所述系统中各个服务模块进行状态监控，并在各个服务模块发生异常情况时进行异常处理。

如上所述的量子计算机的服务器系统，可选的，所述异常监控服务模块还用于对所述量子控制系统的状态进行监控，并在所述量子控制系统发生异常情况时进行异常处理。

本申请第二方面实施例提出了一种量子计算机的服务器系统的实现方法，包括：

接收若干个待执行的量子计算任务，所有所述量子计算任务形成任务队列；

为所述任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的比特资源，其中，所述比特资源为各个所述量子计算任务需要的量子比特；

基于所述比特资源将相应的所述量子计算任务解析编译成第一数据包；

将所述第一数据包下发至量子控制系统，接收所述量子控制系统回传的第二数据包并解析处理后输出任务执行结果；其中，所述量子控制系统用于基于所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成所述量子计算任务。

本申请第三方面实施例提出了一种量子计算机，包括上述的量子计算机的服务器系统，或使用上述的量子计算机的服务器系统实现方法构建量子计算机的服务器系统。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

本申请一方面实施例中通过任务服务模块接收用户发送的若干个待执行的量子计算任务，存储所有所述量子计算任务以形成任务队列，通过资源管理服务模块为任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的量子比特资源，通过编译服务模块将所述量子计算任务根据相应的比特资源解析编译成第一数据包，通过数据处理服务模块将所述第一数据包下发至量子控制系统，量子控制系统根据所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成相应的量子计算任务，并且量子控制系统将生成的第二数据包再回传，数据处理服务模块接收第二数据包并进行解析处理后输出任务执行结果；由此可见，整个服务器系统具有低耦合高内聚的特点，系统的各个服务模块之间基本相互独立，相互依赖性低，可扩展性强，并可使用消息队列进行各个服务模块之间的通信，同时也可并行运行各个服务模块，从而也能够充分利用服务器的多核CPU；在量子处理器的规模不断扩大的情形下，相应的增加系统中各个服务模块的数量即可满足大规模量子处理器的应用需求。

本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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是本申请一实施例提供的采用超导技术实现的量子计算机的结构框图；

图2是本申请一实施例提供的一种量子计算机的服务器系统的结构框图；

图3是本申请一实施例提供的服务器系统中任务服务模块的结构框图；

图4是本申请一实施例提供的服务器系统中资源管理服务模块的结构框图；

图5是本申请一实施例提供的服务器系统中编译服务模块的结构框图；

图6是本申请一示例提供的两个互斥的待执行量子计算任务的分割示意图；

图7是本申请一实施例提供的一种量子计算机的服务器系统的结构框图；

图8是本申请一实施例提供的一种量子计算机的服务器系统的结构框图；

图9是本申请一实施例提供的一种量子计算机的服务器系统的结构框图；

图10是本申请一实施例提供的一种量子计算机的服务器系统的实现方法流程图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本申请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，本申请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、明晰地辅助说明本申请实施例的目的。

在本申请中，需要说明的是，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。在本申请的描述中，“若干个”的含义是一个或一个以上，“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。

请参考图1，图1为本申请一示例性实施例提供的一采用超导技术实现的量子计算机的结构框图，包括量子芯片、量子控制系统、服务器系统、应用服务端，量子芯片上集成有多个量子比特，其中每个量子比特是二能级系统，具有跃迁频率、跃迁能量等参数，这些参数需要通过施加相应的调控信号(模拟信号)进行调控。量子控制系统用于操控和测量量子芯片，即量子控制系统的信号通道与设置在量子芯片上的量子比特的参数调控端口和量子比特状态测量端口相对应。因此，调控信号是由量子控制系统生成并输出至量子芯片上相应的端口。

具体的，一方面，用户在应用服务端基于自身需求生成量子计算任务，所述量子计算任务可以是用户通过量子软件编辑的量子程序或者是研发人员在测试阶段需要对量子芯片做的测控实验。服务器系统接收应用服务端发送的量子计算任务并通过解析处理为量子控制系统能够识别和处理的数据包，量子控制系统接收数据包并生成调控信号输出到量子芯片，操控量子比特的跃迁频率、跃迁能量等参数，使得量子比特的量子态随时间演化，实现量子计算任务的执行。另一方面，量子控制系统对量子芯片测量并获取量子计算任务的初步执行结果，然后将任务的初步执行结果回传到服务器系统中进行最终的解析处理并输出给用户查看。

由此可见，量子计算机的服务器系统是量子计算机中连接应用服务端和量子计算机的量子处理器的关键工具。随着量子处理器的越来越大规模化，服务器系统的规模也要随之扩大以满足量子处理器的应用需求，因此，研究并实现一种可扩展性强的量子计算机的服务器系统成为了本领域亟待解决的技术问题。

请参见图2，图2为本申请一实施例提出的一种量子计算机的服务器系统内设置有任务服务模块10、资源管理服务模块20、编译服务模块30和数据处理服务模块40。其中，任务服务模块10用于接收若干个待执行的量子计算任务，所有所述量子计算任务形成任务队列。资源管理服务模块20用于为所述任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的比特资源，其中，所述比特资源为各个所述量子计算任务需要的量子比特。编译服务模块30用于基于所述比特资源将相应的所述量子计算任务解析编译成第一数据包。数据处理服务模块40用于将所述第一数据包下发至量子控制系统，接收所述量子控制系统回传的第二数据包并解析处理后输出任务执行结果；其中，所述量子控制系统用于基于所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成所述量子计算任务。

可见本申请实施例中通过任务服务模块10接收用户发送的若干个待执行的量子计算任务，存储所有所述量子计算任务以形成任务队列，通过资源管理服务模块20为任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的量子比特资源，通过编译服务模块30将所述量子计算任务根据相应的比特资源解析编译成第一数据包，通过数据处理服务模块40将所述第一数据包下发至量子控制系统，量子控制系统根据所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成相应的量子计算任务，并且量子控制系统将生成的第二数据包再回传，数据处理服务模块40接收第二数据包并进行解析处理后输出任务执行结果。

由此可见，整个服务器系统具有低耦合高内聚的特点，系统的各个服务模块之间基本相互独立，相互依赖性低，可扩展性强，并可使用消息队列进行各个服务模块之间的通信，同时也可并行运行各个服务模块，从而也能够充分利用服务器的多核CPU。在量子处理器的规模不断扩大的情形下，相应的增加系统中各个服务模块的数量即可满足大规模量子处理器的应用需求。

下面对本申请实施例量子计算机的服务器系统进行详细说明：

继续参见图2，在本申请一实施例中，所述任务服务模块10用于接收若干个待执行的量子计算任务，所有所述量子计算任务形成任务队列。

在实际应用过程中，处于量子计算机最上层的应用服务端会根据用户的计算需求而产生若干个需要传送至量子处理器执行的量子计算任务，例如，应用服务端为用户提供的计算需求表现形式可以有QPanda的量子程序、pyQCat编写的量子比特测控实验等。量子计算任务的数量、种类、复杂度会因需求的不同而不同。为了便于对各种各样的量子计算任务进行处理，需要应用服务端输出的所有量子计算任务必须为统一的数据结构。

量子计算机的服务器系统内设置有任务服务模块10，其用于接收并存储待执行的若干个量子计算任务形成一任务队列，其中，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。

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。因此，所述任务服务模块10可以在任务队列中选取至少一个量子计算任务进行下发，从而可以实现多个量子计算任务的异步或并行执行。此外，每个量子计算任务的运行都需要有足够的比特资源，其中，所述比特资源为各个所述量子计算任务需要的量子比特。因此，只有需要不同比特资源的量子计算任务才能够同时被下发。

具体应用时，为了便于扩展，可以将任务服务模块10进一步拆分成若干个功能单元加以实现。请参见图3，在本申请一实施例中，所述任务服务模块10可以进一步包括：

任务存储单元101，用于接收若干个待执行的量子计算任务，并存储所有所述量子计算任务形成一个任务队列。

任务发送单元102，用于从所述任务队列中选取至少一个所述量子计算任务进行下发，若可以下发的所述量子计算任务为2个或2个以上，则各所述量子计算任务之间是互斥的，即各所述量子计算任务所需的比特资源不同，相互之间不存在重叠的量子比特。

客户机103，用于接收所述任务发送单元发送的待下发的所述量子计算任务并转发给所述编译服务模块20。

在具体应用时，为了有效区分待下发的多个所述量子计算任务，可以对各所述量子计算任务进行编号，使得每个所述量子计算任务具有唯一可识别的任务编号。因此，所述客户机103在接收到待下发的所述量子计算任务后，还可以为各所述量子计算任务进行编号后再转发给所述编译服务模块20。

在本申请一实施例中，在所述任务服务模块10下发所述量子计算任务之前，通过所述资源管理服务模块20为所述任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的比特资源。具体实施过程中，所述资源管理服务模块20先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量子比特数量，然后根据获得的任务信息进行比特资源分配处理。

具体应用时，为了便于扩展，可以将资源管理服务模块20进一步拆分成若干个功能单元加以实现。请参见图4，在本申请一实施例中，所述资源管理服务模块20可以进一步包括：

任务管理单元201，用于从所述任务队列中获取所述量子计算任务，优选的，所获取的所述量子计算任务均为待下发的任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求。

资源管理单元202，用于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。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。

具体实施过程中，资源管理单元202会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，将当前待下发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，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。资源管理单元202会将分配的与当前待下发的量子计算任务对应的比特资源反馈给任务管理单元201，作为与比特资源请求对应的请求响应，任务管理单元201根据资源管理单元202分配的比特资源即可以将相应的比特资源反馈至所述任务服务模块10。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述任务管理单元201还被配置为依据当前待下发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下发的量子计算任务需要的硬件设备的任务线程；以及所述资源管理单元202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。这样能够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。

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。即每个待下发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。对于待下发的量子计算任务，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，按照待下发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，由资源管理单元202进行管理和分配。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述任务管理单元201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，用于为下一个待下发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。

当所述资源管理单元202接收到所述任务管理单元201发送的资源释放请求时，所述资源管理单元202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，资源管理单元202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下发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，所述资源管理单元202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，当需要同时下发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下发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下发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，资源管理单元202会进行等待，当资源管理单元202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下发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，所述资源管理单元202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单元201，即对应的待下发的量子计算任务无法执行。任务管理单元201可以继续对下一个待下发的量子计算任务发送资源请求。与上述的资源管理单元202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，对于任务管理单元201提出的资源请求及时响应，确保待下发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，所述任务管理单元201被配置为按照待下发的量子计算任务的优先级从所述任务服务模块10获取当前待下发的量子计算任务，其中，优先级高的量子计算任务优先进行资源分配处理。对于任务服务模块10中存储的若干个待下发量子计算任务，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长度等信息都是不同的，即量子计算任务是具有优先级的。任务管理单元201按照量子计算任务的优先级的高低从所述任务服务模块10获取当前待下发的量子计算任务，确保优先级高的任务优先执行。

需要说明的是，量子计算任务在下发至量子控制系统之前，还需要解析编译成量子控制系统能够识别并执行的数据包。

因此，在本申请一实施例中服务器系统内设置了所述编译服务模块30，用于基于所述比特资源将相应的所述量子计算任务解析编译成第一数据包。

示例的，所述编译服务模块30先将所述量子计算任务根据其比特资源编译成若干个用于驱动量子控制系统的硬件设备运行的指令文件和/或波形文件，再将这些指令文件和/或波形文件分别按照与量子控制系统之间的数据通信协议进行封装，生成若干个所述量子控制系统能够运行的第一数据包。例如，所述第一数据包可以是量子控制系统能够识别的机器语言表示的目标程序。

此外，典型的量子控制系统包括任意波形发生器、射频收发组件、数据采集装置等硬件设备，而且对量子芯片中的每个量子比特进行操控和测量需要这些硬件设备的相互协作实现。为了能够准确驱动量子控制系统的相关硬件设备进行工作，并进一步提高量子控制系统的工作效率，第一数据包可以包含有多个子数据包，例如，用于负责所述量子计算任务的整体描述说明的任务数据包、为量子控制系统的任意波形发生器进行参数配置的波形配置包、为量子控制系统的各组件进行参数配置的配置参数包、为量子控制系统的数据采集装置进行参数配置的数据采集包等等。

本领域技术人员可以理解的是，对于待执行的量子计算任务来说，随着任务的种类和复杂度的提升，量子计算任务的长度将越来越大，即量子计算任务中一次需要遍历的参数列表中任务参数的数量将越来越大，需要参与的量子比特数量也越来越多，即所需要的量子控制系统的通道数量也越来越多。可以想象的是，量子比特任务的长度会随着用户需求计算的复杂度的增加而不断增大，一旦当量子计算任务的长度超出了量子控制系统的通道资源所能承受的最大限度时，量子比特任务将无法执行。

作为本申请实施例的一种实施方式，请参见图5，所述编译服务模块30进一步包括：

任务接收单元301，用于接收所述任务服务模块10下发的所述量子计算任务以及相应的所述比特资源。

任务判断单元302，用于判断所述量子计算任务的长度是否超出预设的阈值，其中，所述阈值根据所述量子控制系统能够运行的最大单元任务的长度进行设置。

编译处理单元303，用于在当所述量子计算任务的长度超出所述阈值，将所述量子计算任务分割成若干个子任务，并基于相应的所述比特资源将各所述子任务解析编译成所述第一数据包，其中，分割所得各所述子任务的长度之和等于所述量子计算任务的长度；在当所述量子计算任务的长度未超出所述阈值，则基于相应的所述比特资源将所述量子计算任务解析编译成所述第一数据包。

需要说明的是，所述量子计算任务所需要的比特资源也可以由所述资源管理服务模块20输出给所述任务接收单元301，具体应用时，可以根据实际应用需求进行选择，在此不做限定。另外，下发至所述任务接收单元301的硬件资源还包括任务线程资源。

具体实施过程中，所述量子计算任务的数据结构中包括有任务执行一次需要使用的比特资源和任务执行一次需要遍历的参数列表中任务参数的数量。量子计算任务的长度取为任务执行一次所需要遍历的参数列表中任务参数的数量。为了便于对所述待执行量子计算任务的长度进行判断，可以设定一个作为判断标准的阈值，所述阈值即为任务参数的数量大小。所述阈值可以根据量子控制系统能够运行的最大单元任务的长度进行设置。优选的，预设的所述阈值可以小于或等于所述最大单元任务的长度。为了对所述量子计算任务的长度进行准确判断，所述阈值最大可以设置为量子控制系统能够运行的最大单元任务的长度，这样可以充分利用量子控制系统的硬件资源，以提升任务执行效率。因此，在当所述量子计算任务的长度超出了所述最大单元任务的长度时，则所述量子计算任务必须要被分割成若干个子任务。

作为本申请实施例的一种实施方式，可以设定一个分割规则，然后按照预设的分割规则对长度超出所述阈值的所述量子计算任务进行分割，所要达成的目标为基于所述分割规则对所述量子计算任务分割形成的各所述子任务的长度要小于或等于所述最大单元任务的长度，以使所述子任务能够被量子控制系统顺利执行。

在实际应用过程中，所述分割规则可以根据量子控制系统能够运行的最大单元任务的长度进行设置。

例如，按照所述量子计算任务的长度与所述最大单元任务的长度之间的比值对所述待执行量子计算任务进行分割，所得所述子任务的数量与该比值存在直接关系。在当该比值为整数时，分割所得所述子任务的数量即为该比值数，此时各所述子任务的长度等于所述最大单元任务的长度；而在当该比值为非整数时，即该比值存在整数部分和小数部分，那么分割所得所述子任务的数量为该比值数的整数部分数值加1，此时只有一个所述子任务的长度小于所述最大单元任务的长度，其余各所述子任务的长度是等于所述最大单元任务的长度。基于此分割规则分割所述量子计算任务能够使得量子控制系统具有最大的资源利用率和较高的任务执行效率。

需要说明的是，所述分割规则还可以根据实际应用需求进行设置，在此不做具体限定。只要保证基于预设的所述分割规则将所述量子计算任务分割形成的各所述子任务能够被量子控制系统顺利执行即可。

作为本申请实施例的一种实施方式，对每个所述子任务添加标签，使得每个所述子任务具有唯一的标签码，所有所述子任务能够按照所述标签码组合形成分割前的所述量子计算任务。例如，对属于同一所述量子计算任务的每个所述子任务以按顺序编号的方式添加标签，则每个所述子任务具有的标签码可以为顺序号；那么，所有所述子任务能够按照所述顺序号的先后顺序组合形成所述量子计算任务。

这样是为了便于区分各个所述子任务，同时也便于按照预设的处理规则对各所述子任务进行解析编译处理。从而能够保证对各所述子任务进行解析编译处理的总体结果与对分割前的所述量子计算任务执行编译处理的结果保持一致。

在实际应用中，所述处理规则的设定需要与所述标签码的编制规则相适配，并且只要能够保证按照基于所述标签码设定的所述处理规则对各所述子任务进行解析编译处理的总体结果与对分割前的所述量子计算任务进行解析编译处理的结果保持一致即可。在本申请实施例中，对所述处理规则和所述标签码的设定不做具体限定，可以根据实际应用需要进行设置。例如，可以基于所述顺序号的先后顺序对各所述子任务按序进行解析编译处理。

在本申请实施例中，通过对超出一定长度的所述量子计算任务进行切片原子化，形成量子控制系统的硬件可支持的子任务，并对切片后的所有子任务执行编译处理形成若干个指令文件和/或波形文件，再将所有指令文件和/或波形文件按照量子控制系统的硬件设备所采用的数据通信协议进行组包处理成第一数据包，实现了量子计算机的软件应用层面的量子计算任务到量子计算机的硬件设备的二进制指令的转换。

作为本申请实施例的一种实施方式，下发至所述编译服务模块30的所述量子计算任务数量可以为多个，每个所述量子计算任务具有唯一可识别的任务编号。因此，为了有效区分两个长度超出阈值的所述量子计算任务分割形成的多个子任务，将属于同一个所述量子计算任务的所有子任务都采用该任务的任务编号。所述任务编号可以根据实际应用需要进行设置，在此不做具体限定。例如，可以根据量子控制系统的硬件可支持的任务线程数量来设置所述任务编号。此外，可以用特定的任务编号来区分由所有需要分割的所述量子计算任务分割而成的所有子任务为不同组别的任务组，即由多个子任务组成的各任务组也采用各量子计算任务的任务编号进行区分，属于同一任务组中的各子任务具有相同的任务编号。属于两个不同组别的任务组中的多个子任务既可以同时执行解析编译处理，又可以先后执行解析编译处理，这在一定程度上大大提高了任务处理效率。

在本申请一实施例中，对于所述编译服务模块30生成的所述第一数据包可以通过所述数据处理服务模块40下发至量子控制系统进行识别，并驱动量子芯片执行处理；其中，所述量子控制系统用于基于所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成所述量子计算任务。同时由所述数据处理服务模块40接收所述量子控制系统回传的第二数据包并解析处理后输出任务执行结果。

作为本申请实施例的一种实施方式，前文所述任务编号可以根据任务线程设置，每个所述任务线程对应一个所述任务编号，且所述任务线程为所述量子控制系统用于接收所述调控信号的信号通道。因此，所述资源管理服务模块20为量子计算任务分配的任务线程资源可以用于为第一数据包分配与所述任务编号对应的信号通道。所述数据处理服务模块40还用于分别获取若干个待执行的所述第一数据包的任务编号，并分别根据所述任务编号将所述第一数据包输出至所述量子控制系统中对应的信号通道。

举例说明，在一个具有100个量子比特的量子计算机上，假设用户使用量子测控软件pyQCat做10次涉及到量子比特Q0、Q25的Ramsey实验，且一次实验需要遍历的参数列表中任务参数的数量为30，从而产生了一个需要重复执行10次的待执行量子计算任务Task1，并假设该任务起始时刻在time1时刻。可将Task1的数据结构设置为Task1：{“Q0，Q25”，“30”}。而在time1时刻后2s的time2时刻，有另一用户提交了使用量子测控软件pyQCat做8次涉及到量子比特Q2的Rabi实验，且一次实验需要遍历的参数列表中任务参数的数量为35，从而产生了一个需要重复执行8次的待执行量子计算任务Task2，将Task2的数据结构设置为Task2：{“Q2”，“35”}。由此可以判断Task1和Task2是互斥的，可以异步或并行执行。

请参见图6，假设量子控制系统的硬件可支持的最大单元任务的长度为10，并将所述阈值设置为10，基于此可判断Task1和Task2在执行编译处理前需要进行分割。按照Task1和Task2的长度分别与10的比值，可将Task1分割成3个子任务，标签码设为task1、task2、task3，其中，task1-task3的长度均为10；将Task2分割成4个子任务，标签码设为task4、task5、task6、task7，其中，task4-task6的长度均为10，task7的长度为5。进一步假设量子控制系统的硬件可支持的任务线程数为5，所述任务编号的取值可为0-4，则可将Task1和Task2的任务编号分别设置为0、1。因此，由任务Task1分割形成的task1-task3组成一组任务组，该任务组的任务编号为0；由任务Task2分割形成的task4-task7组成另一组任务组，该任务组的任务编号为1。task1-task3按1-3的顺序执行编译处理，task4-task7按4-7的顺序执行编译处理。并且在编译处理过程中，task1-task3中的任一个能够与task4-task7中的任一个同步执行。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述数据处理服务模块40还用于获取所述量子控制系统反馈的回执命令，根据所述回执命令发送指令至所述量子控制系统开始执行与所述回执命令对应任务编号的所述第一数据包。所述回执命令包含有所述量子控制系统对各第一数据包的接收情况，若回执命令中包含的是已接收到相应的第一数据包，则发送指令至所述量子控制系统开始执行该第一数据包，若未接收到第一数据包，则重新发送相应的第一数据包至所述量子控制系统。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述数据处理服务模块40还用于获取数据后首先判断数据类型，若为回执命令，发送指令至所述量子控制系统开始执行与所述回执命令对应任务编号的所述第一数据包；若为第二数据包，则将所述第二数据包解析处理后输出任务执行结果至客户端。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述数据处理服务模块40还用于解析所述第二数据包后，采用UDP协议再组包发送至客户端。

需要说明的是，随着量子芯片中量子比特位数的不断增大，能够异步或并行执行的量子计算任务的数量也不断增加，届时将面临着这些量子计算任务的存储问题，否则容易造成数据丢失、参数混乱、执行错误等问题。

在本申请一实施例中，请参见图7，所述服务器系统内还设置有数据库模块50，该模块用于存储所述第一数据包。所述编译服务模块30可以将生成的第一数据包发送到所述数据库模块50中进行存储，所述数据处理服务模块40从所述数据库模块50中获取所述第一数据包。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述数据库模块50包括多个分别与所述任务线程对应的第一数据通道，分别用于存储具有相同任务编号的所述第一数据包。可见，所述数据库模块50可对与多个所述量子计算任务对应的第一数据包信息进行有序存储，解决了量子计算任务的存储问题，避免出现数据丢失、参数混乱、执行错误等问题，可保证量子计算任务的正常运行。

此外，当所述数据处理服务模块40接收到多个量子计算任务执行后的第二数据包时，由于属于不同量子计算任务的第二数据包需要分开处理再往客户端发送，大量的第二数据包的集中处理会让数据处理流程变得困难。需要说明的是，所述客户端可以是上文描述的客户机，也可以是其他的人机交互设备，在此不做限定。

在本申请一实施例中，请参见图8，所述服务器系统内还设置有路由服务模块60，该模块用于接收所述第二数据包，从所述第二数据包中解析出相应的所述量子计算任务的所述任务编号，并输出所述第二数据包和所述任务编号。通过所述路由服务模块60来接收量子控制系统反馈的所有第二数据包并从每个第二数据包中解析出相应量子计算任务的任务编号，从而将各第二数据包与各量子计算任务对应起来，最后可以根据任务编号输出相应的第二数据包给所述数据处理服务模块40，大大缓解了该模块数据处理流程的压力。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述路由服务模块60还用于接收所述量子控制系统在接收完所述第一数据包后发送来的回执命令，并基于所述回执命令获取所述回执命令对应的所述第一数据包的任务编号。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述路由服务模块60还用于获取各个所述第二数据包中包含的与所述第一数据包对应的所述任务编号，所述数据处理服务模块40按照相应的所述任务编号对所述第二数据包进行解析处理。

作为本申请实施例的一种实施方式，为了避免数据丢包问题，所述路由服务模块60可以将回执命令及对应的任务编号和/或第二数据包及对应的任务编号先发送至所述数据库模块50进行存储。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述数据库模块50包括有多个第二数据通道，各个所述第二数据通道分别用于存储不同任务编号的第二数据包。所述数据处理服务模块40还用于分别获取若干个所述第二数据包的任务编号，并分别根据所述任务编号将对所述第二数据包的解析结果输出至用户终端。

另外，在量子计算机执行量子计算任务时，在各个阶段均有可能会出现异常情况，例如对量子计算任务进行解析编译过程中出现错误问题。因此，量子计算机的服务器系统需要具备异常情况鉴别及处理的能力。

在本申请一实施例中，请参见图9，所述服务器系统内还设置有异常监控服务模块70，用于对所述服务器系统的各个服务模块进行异常监控，可以实时监测系统中各个服务模块的运行状态，并在出现异常时可以及时发现问题并定位到具体哪个服务模块中。通过所述异常监控服务模块70可在量子计算任务的执行过程中及时发现异常，有效提高了量子计算机执行量子计算任务的效率。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述异常监控服务模块70还用于对所述量子控制系统的状态进行监控，并在所述量子控制系统发生异常情况时进行异常处理。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述异常监控服务模块70可以包括信息采集单元、异常判断单元、异常处理单元，其中，信息采集单元用于采集各个服务模块的数据流信息，异常判断单元根据获取的数据流信息判断各个服务模块是否发生了异常情况，异常处理单元根据异常判断单元输出的异常判断结果生成对应的异常解决策略。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述异常监控服务模块70还可以包括异常存储单元和异常更新单元，其中，异常存储单元用于存储预先设置的异常情况以及对应的异常类型，异常判断模块可以将获取的数据流信息与异常存储单元中存储的内容进行比较后得出异常判断结果。异常更新单元用于更新异常存储单元中存储的异常情况内容，可以在碰到新的异常情况时，实时更新到异常存储单元中，以便在后面碰到相同问题时可以及时辨别以及处理。

下面对本申请实施例提供的一种量子计算机的服务器系统的实现方法进行介绍，下文描述的量子计算机的服务器系统的实现方法与上文描述的量子计算机的服务器系统可相互对应参照。

请参考图10，图10为本申请一实施例提供的一种量子计算机的服务器系统的实现方法流程图。

参考图10，该服务器系统的实现方法包括：

S10，接收若干个待执行的量子计算任务，所有所述量子计算任务形成任务队列。

S20，为所述任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的比特资源，其中，所述比特资源为各个所述量子计算任务需要的量子比特。

S30，基于所述比特资源将相应的所述量子计算任务解析编译成第一数据包。

S40，将所述第一数据包下发至量子控制系统，接收所述量子控制系统回传的第二数据包并解析处理后输出任务执行结果；其中，所述量子控制系统用于基于所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成所述量子计算任务。

上述服务器系统的实现方法的具体实施方式可以参照服务器系统相应的各个部分实施例的描述，在此不在赘述。

本申请一实施例还提供了一种量子计算机，包括上述实施例的量子计算机的服务器系统，或使用上述实施例的量子计算机的服务器系统实现方法构建量子计算机的服务器系统。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分相互参见即可。对于实施例公开的服务器系统的实现方法而言，由于其与实施例公开的服务器系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见服务器系统部分说明即可。

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申请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。

上述仅为本申请的优选实施例而已，并不对本申请起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本申请的技术方案的范围内，对本申请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，均属未脱离本申请的技术方案的内容，仍属于本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种量子计算机的服务器系统，其特征在于，包括：

任务服务模块，用于接收若干个待执行的量子计算任务，所有所述量子计算任务形成任务队列；

资源管理服务模块，用于为所述任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的比特资源，其中，所述比特资源为各个所述量子计算任务需要的量子比特；

编译服务模块，用于基于所述比特资源将相应的所述量子计算任务解析编译成第一数据包；

数据处理服务模块，用于将所述第一数据包下发至量子控制系统，接收所述量子控制系统回传的第二数据包并解析处理后输出任务执行结果；其中，所述量子控制系统用于基于所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成所述量子计算任务。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述量子计算任务具有唯一的任务编号，所述系统还包括：

路由服务模块，用于接收所述第二数据包，从所述第二数据包中解析出相应的所述量子计算任务的所述任务编号，并输出所述第二数据包和所述任务编号。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据处理服务模块按照所述任务编号获取所述第二数据包并进行解析处理后输出相应的所述量子计算任务的执行结果。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述任务服务模块，包括：

任务存储单元，用于接收若干个待执行的量子计算任务，并存储所有所述量子计算任务形成任务队列；

任务发送单元，用于从所述任务队列中选取互斥的多个所述量子计算任务并下发，其中，互斥的多个所述量子计算任务是为所述比特资源不同的多个所述量子计算任务；

客户机，用于接收所述任务发送单元发送的多个所述量子计算任务并转发给所述编译服务模块。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述资源管理服务模块，包括：

任务管理单元，用于从所述任务队列中获取所述量子计算任务，并依据对应的任务信息发送比特资源请求；

资源管理单元，用于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。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述任务管理单元还用于依据所述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所述量子计算任务需要的硬件设备的任务线程；以及

所述资源管理单元还用于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。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述任务管理单元还用于在所述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所述量子计算任务对应的量子比特和任务线程；

所述资源管理单元还用于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。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述编译服务模块，包括：

任务接收单元，用于接收所述量子计算任务以及相应的所述比特资源；

任务判断单元，用于判断所述量子计算任务的长度是否超出预设的阈值，其中，所述阈值根据所述量子控制系统能够运行的最大单元任务的长度进行设置；

编译处理单元，用于在当所述量子计算任务的长度超出所述阈值，将所述量子计算任务分割成若干个子任务，并基于相应的所述比特资源将各所述子任务解析编译成所述第一数据包，其中，分割所得各所述子任务的长度之和等于所述量子计算任务的长度；在当所述量子计算任务的长度未超出所述阈值，则基于相应的所述比特资源将所述量子计算任务解析编译成所述第一数据包。

9.如权利要求1-8任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

数据库模块，用于存储所述第一数据包和/或所述第二数据包。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

异常监控服务模块，用于对所述系统中各个服务模块进行状态监控，并在各个服务模块发生异常情况时进行异常处理。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述异常监控服务模块还用于对所述量子控制系统的状态进行监控，并在所述量子控制系统发生异常情况时进行异常处理。

12.一种量子计算机的服务器系统的实现方法，其特征在于，包括：

接收若干个待执行的量子计算任务，所有所述量子计算任务形成任务队列；

为所述任务队列中的各个所述量子计算任务分配需要的比特资源，其中，所述比特资源为各个所述量子计算任务需要的量子比特；

基于所述比特资源将相应的所述量子计算任务解析编译成第一数据包；

将所述第一数据包下发至量子控制系统，接收所述量子控制系统回传的第二数据包并解析处理后输出任务执行结果；其中，所述量子控制系统用于基于所述第一数据包输出相应的调控信号至量子芯片以完成所述量子计算任务。

13.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的量子计算机的服务器系统，或使用如权利要求12所述的量子计算机的服务器系统的实现方法构建量子计算机的服务器系统。

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