CN115470924A - 量子计算机以及量子计算任务的执行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子计算机以及量子计算任务的执行方法，所述量子计算机包括用户端设备、任务解析设备、量子控制设备以及量子处理器，所述用户端设备用于接收量子计算任务；所述任务解析设备用于对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；所述量子控制设备用于基于所述任务数据包输出相应的调控信号；所述量子处理器用于基于所述调控信号执行所述量子计算任务。申请提出了一种与现有量子计算机架构不同的量子计算机，将原本在量子控制设备中进行的任务解析操作用任务解析设备来处理，减少量子控制设备的数据处理量，因此，本申请提出的量子计算机的结构在一定程度上提高了量子计算任务执行效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算领域，尤其是涉及一种量子计算机以及量子计算任务的执行方法。
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。
根据现有的量子技术来判断，现有的量子计算机架构能实现的功能相对单一，大都是为了处理某一特定问题设计，无法满足通用性量子计算机的需求。并且，现有的量子计算机架构中，通过经典计算机下发的量子计算任务，需要在量子控制系统中对量子计算任务进行解析编译处理，大大加重了量子控制系统的任务量。可以预见的是，随着量子芯片中量子比特位数的不断增大，现有的量子计算机架构在处理大规模量子计算任务时的效率很低。
因此，提出一种提高量子计算任务执行效率的量子计算机架构成为本领域亟待解决的问题。
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
本发明的目的在于提供一种量子计算机以及量子计算任务的执行方法，用于解决现有的量子计算机架构在处理大规模量子计算任务时的效率很低的问题。
为了解决以上技术问题，本发明提出一种量子计算机，包括：
用户端设备，其被配置为接收量子计算任务；
任务解析设备，其被配置为对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；
通信连接所述任务解析设备的量子控制设备，其被配置为基于所述任务数据包输出相应的调控信号；
量子处理器，其被配置为基于所述调控信号执行所述量子计算任务。
可选地，所述任务解析设备包括：
编译模块，其被配置为对所述量子计算任务进行第一编译处理，并输出量子线路数据信息包，所述第一编译处理将所述量子计算任务编译为中间程序；
量子测控实验模块，其被配置为基于所述量子线路信息包，对第一任务进行封装，并输出任务信息，所述第一任务为执行所述量子计算任务所需要的所有实验任务；
服务器模块，其被配置为基于所述任务信息，输出所述任务数据包。
可选地，所述服务器模块还被配置为基于所述任务信息，对所述第一任务进行解析处理、第二编译处理以及实验任务的流程处理，以输出所述任务数据包，所述第二编译处理为将所述第一任务编译为汇编语言。
可选地，所述服务器还被配置接收来自所述量子控制设备反馈的实验结果，并将所述实验结果输出给所述量子测控实验模块。
可选地，所述量子测控实验模块还被配置为对所述实验结果进行处理分析，并将处理分析的结果输出给所述用户端设备。
可选地，所述编译模块与所述量子测控实验模块间通过IPC协议通信。
可选地，所述量子测控实验模块与所述服务器模块间通过TCP/IPC协议通信。
可选地，所述服务器模块与所述量子控制设备间通过TCP协议通信。
可选地，所述量子控制设备包括若干个微波电子器件，所述若干个微波电子器件用于控制所述量子处理器运行和测量所述量子处理器运行的量子计算结果。
基于同一发明构思，本发明还提出一种量子计算任务的执行方法，包括：
接收量子计算任务；
对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；
基于所述任务数据包输出相应的调控信号；
基于所述调控信号执行所述量子计算任务。
基于同一发明构思，本发明还提出一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现所述的量子计算任务的执行方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种量子计算机，包括用户端设备、任务解析设备、量子控制设备以及量子处理器，所述用户端设备用于接收量子计算任务；所述任务解析设备用于对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；所述量子控制设备用于基于所述任务数据包输出相应的调控信号；所述量子处理器用于基于所述调控信号执行所述量子计算任务。申请提出了一种与现有量子计算机架构不同的量子计算机，将原本在量子控制设备中进行的任务解析操作用任务解析设备来处理，减少量子控制设备的数据处理量，因此，本申请提出的量子计算机的结构在一定程度上提高了量子计算任务执行效率。
本发明还提出一种量子计算任务的执行方法、可读存储介质，与所述量子计算机属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不做赘述。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种量子计算机的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提出的量子计算任务的执行方法的流程示意图；
其中，图1中：100-用户端设备，200-任务解析设备，201-编译模块，202-量子测控实验模块，203-服务器模块，300-量子控制设备，400-量子处理器。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明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，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，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。
按照目前量子计算相关领域技术的进步，可以预见的是，在不远的未来，量子芯片中的量子比特数量必然会朝着大规模甚至超大规模方向发展，由于大规模量子芯片所需要解决的量子计算任务必然也是极其复杂的，如果还是按照现有的量子计算机架构来运行，那么现有的量子计算机在解决那些量子计算任务时的效率也必然是极其低下的。申请人正是有了以上考量，在现有的量子计算机架构的基础上，提出了一种新型的量子计算机架构，提高量子计算任务的执行效率以使得量子计算机可以满足大规模量子芯片的需求。具体请参考图1，本发明实施例提出一种量子计算机，包括：
用户端设备100，其被配置为接收量子计算任务；
任务解析设备200，其被配置为对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；
通信连接所述任务解析设备200的量子控制设备300，其被配置为基于所述任务数据包输出相应的调控信号；
量子处理器400，其被配置为基于所述调控信号执行所述量子计算任务。
与现有技术不同之处在于，本实施例提出的一种量子计算机，包括用户端设备100、任务解析设备200、量子控制设备300以及量子处理器400，所述用户端设备100用于接收量子计算任务；所述任务解析设备200用于对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；所述量子控制设备300用于基于所述任务数据包输出相应的调控信号；所述量子处理器400用于基于所述调控信号执行所述量子计算任务。申请提出了一种与现有量子计算机架构不同的量子计算机，将原本在量子控制设备300中进行的任务解析操作用任务解析设备200来处理，减少量子控制设备300的数据处理量，因此，本申请提出的量子计算机的结构在一定程度上提高了量子计算任务执行效率。
所述量子控制设备300包括若干个微波电子器件，所述若干个微波电子器件用于控制所述量子处理器400运行和测量所述量子处理器400运行的量子计算结果。本领域技术人员可以理解的是，所述量子控制设备300中主要是用于实现对量子芯片中的量子比特进行精确调控以及测量的器件，一般可包括路由板卡以及功能板卡，所述路由板卡的作用是对信号进行转发，所述功能板卡的作用是利用功能板卡中包含的功能器件生成对量子比特进行操控、测量和读取时等控制所需的各种信号，功能器件一般可为ADC或DAC等，ADC用于获取谐振腔中的信息，DAC则用于生成进行量子态信息调控的量子态调控信号或生成进行频率参数调控的频率调控信号。需要注意的是，所述量子控制设备300中除了有上述器件外，还有一些其它器件，由于与本申请请求保护的技术方案关联不大，因此，不在此赘述。
需要注意的是，所述用户端设备100可以理解为面向用户的设备，在本实施例中，所述用户端设备100可以为经典计算机，用户可在所述用户端设备100中输入需要执行的量子计算任务，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做对量子芯片芯片做的测控实验。
具体地，请继续参考图1，所述任务解析设备200包括编译模块201、量子测控实验模块202以及服务器模块203，所述编译模块201被配置为对所述量子计算任务进行第一编译处理，并输出量子线路数据信息包，所述第一编译处理将所述量子计算任务编译为中间程序。所述量子测控实验模块202被配置为基于所述量子线路信息包，对第一任务进行封装，并输出任务信息，所述第一任务为执行所述量子计算任务所需要的所有实验任务。所述服务器模块203被配置为基于所述任务信息，输出所述任务数据包。在本实施例中，所述编译模块201可为一般的程序编译器，所述量子测控实验模块202中可包括预先配置好的针对量子比特的实验任务包，例如能谱实验、Ramsey实验、Rabi实验等等，这些实验通过标准模块的形式封装在所述量子测控实验模块202中，当所述量子计算任务中需要这些实验时，可以直接在所述量子测控实验模块202中调用不需要重新编辑，只需根据需要配置参数即可。在碰到没有被封装进所述量子测控实验模块202中的实验时，所述量子测控实验模块202还可根据用户的需求编辑该实验，并且可以将该实验同样以标准模块的形式加入到所述量子测控实验模块202中以供后面直接调用。
进一步地，所述服务器模块203还被配置为基于所述任务信息，对所述第一任务进行解析处理、第二编译处理以及实验任务的流程处理，以输出所述任务数据包，所述第二编译处理为将所述第一任务编译为汇编语言。所述服务器还被配置接收来自所述量子控制设备300反馈的实验结果，并将所述实验结果输出给所述量子测控实验模块202。
所述服务器模块203除了上述作用外，服务器模块203还与所述量子控制设备300的路由板卡直接通信，将功能板卡的配置数据包封装在通用数据格式内，每个数据包对应一个功能板卡，需要单独发送，即“板卡数据包”。所述服务器模块203会发送板卡数据包给路由板卡，然后通过路由板卡转发给各个子板卡。
更进一步地，所述量子测控实验模块202还被配置为对所述实验结果进行处理分析，并将处理分析的结果输出给所述用户端设备100。
在本实施例中，所述编译模块201与所述量子测控实验模块202间通过IPC协议可通信，所述量子测控实验模块202与所述服务器模块203间可通过TCP/IPC协议通信，所述服务器模块203与所述量子控制设备300间可通过TCP协议通信。
基于同一发明构思，本发明实施例还提出一种量子计算任务的执行方法，请参考图2，所述执行方法包括：
S1：接收量子计算任务；
S2：对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；
S3：基于所述任务数据包输出相应的调控信号；
S4：基于所述调控信号执行所述量子计算任务。
基于同一发明构思，本发明实施例还提出一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现上述特征描述中所述的量子计算任务的执行方法。
所述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，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。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。这里所描述的计算机程序可以从可读存储介质下载到各个计算/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。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收所述计算机程序，并转发该计算机程序，以供存储在各个计算/处理设备中的可读存储介质中。用于执行本发明操作的计算机程序可以是汇编指令、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。所述计算机程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程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)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(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，通过利用计算机程序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计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序实现。这些计算机程序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，从而生产出一种机器，使得这些程序在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机程序存储在可读存储介质中，这些计算机程序使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有该计算机程序的可读存储介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机程序加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的计算机程序实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
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发明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。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明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，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种量子计算机，其特征在于，包括：
用户端设备，其被配置为接收量子计算任务；
任务解析设备，其被配置为对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；
通信连接所述任务解析设备的量子控制设备，其被配置为基于所述任务数据包输出相应的调控信号；
量子处理器，其被配置为基于所述调控信号执行所述量子计算任务。
2.如权利要求1所述的量子计算机，其特征在于，所述任务解析设备包括：
编译模块，其被配置为对所述量子计算任务进行第一编译处理，并输出量子线路数据信息包，所述第一编译处理将所述量子计算任务编译为中间程序；
量子测控实验模块，其被配置为基于所述量子线路信息包，对第一任务进行封装，并输出任务信息，所述第一任务为执行所述量子计算任务所需要的所有实验任务；
服务器模块，其被配置为基于所述任务信息，输出所述任务数据包。
3.如权利要求2所述的量子计算机，其特征在于，所述服务器模块还被配置为基于所述任务信息，对所述第一任务进行解析处理、第二编译处理以及实验任务的流程处理，以输出所述任务数据包，所述第二编译处理为将所述第一任务编译为汇编语言。
4.如权利要求2所述的量子计算机，其特征在于，所述服务器还被配置接收来自所述量子控制设备反馈的实验结果，并将所述实验结果输出给所述量子测控实验模块。
5.如权利要求4所述的量子计算机，其特征在于，所述量子测控实验模块还被配置为对所述实验结果进行处理分析，并将处理分析的结果输出给所述用户端设备。
6.如权利要求2所述的量子计算机，其特征在于，所述编译模块与所述量子测控实验模块间通过IPC协议通信。
7.如权利要求2所述的量子计算机，其特征在于，所述量子测控实验模块与所述服务器模块间通过TCP/IPC协议通信。
8.如权利要求2所述的量子计算机，其特征在于，所述服务器模块与所述量子控制设备间通过TCP协议通信。
9.如权利要求1所述的量子计算机，其特征在于，所述量子控制设备包括若干个微波电子器件，所述若干个微波电子器件用于控制所述量子处理器运行和测量所述量子处理器运行的量子计算结果。
10.一种量子计算任务的执行方法，其特征在于，包括：
接收量子计算任务；
对所述量子计算任务进行编译解析操作，并基于所述编译解析操作的结果输出任务数据包；
基于所述任务数据包输出相应的调控信号；
基于所述调控信号执行所述量子计算任务。
11.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被一处理器执行时能实现权利要求10所述的量子计算任务的执行方法。
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| WEICHENG KONG ET AL: "Origin Pilot: a Quantum Operating System for Effecient Usage of Quantum Resources", 《ARXIV:2105.10730V1》, 22 May 2021 (2021-05-22) * |
| 林晨: "基于量子逻辑综合的有效容错线路的研究", 《中国优秀硕士论文全文数据库》, 15 January 2022 (2022-01-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115470924B (zh) | 2024-04-05 |
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Legal Events
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |