量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)以及量子計(jì)算機(jī)

(19)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局

(12)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)

(10)申請(qǐng)公布號(hào)CN115705498A

(43)申請(qǐng)公布日2023.02.17

(21)申請(qǐng)?zhí)?02110929047.6

(22)申請(qǐng)日2021.08.13

(71)申請(qǐng)人合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公

司

地址230088安徽省合肥市合肥市高新區(qū)

創(chuàng)新大道2800號(hào)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園二期E2樓

六層

(72)發(fā)明人竇猛漢汪文濤趙東一方圓

(51)Int.CI.

G06N10/20(2022.01)

G06F9/48(2006.01)

權(quán)利要求書(shū)2頁(yè)說(shuō)明書(shū)11頁(yè)附圖3頁(yè)

(54)發(fā)明名稱(chēng)

量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)以及量子計(jì)算機(jī)

(57)摘要

本發(fā)明公開(kāi)了一種量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)以

及量子計(jì)算機(jī)，所述量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)包括量

子計(jì)算任務(wù)接收模塊、量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理

模塊、量子計(jì)算任務(wù)合并模塊、量子芯片資源分

配服務(wù)模塊以及量子計(jì)算任務(wù)調(diào)度與映射模塊,

其中，量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊將量子計(jì)算

任務(wù)隊(duì)列中的量子計(jì)算任務(wù)按照量子計(jì)算任務(wù)

的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)

算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間劃分各自的優(yōu)先級(jí),在

量子芯片資源無(wú)法滿(mǎn)足所有任務(wù)同時(shí)執(zhí)行時(shí)，通

過(guò)將優(yōu)先級(jí)高的量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行,提高了

量:子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

量子芯片中量子比特的利用率，有效減少了量子

計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中量子計(jì)算任務(wù)的總體等待時(shí)間。

8

6

g寸

zo

Is

g

CN115705498A權(quán)利要求書(shū)1/2頁(yè)

1.一種量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于，包括：

量子計(jì)算任務(wù)接收模塊,其被配置為接收量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列，其中，所述量子計(jì)算任務(wù)

隊(duì)列包括多個(gè)量子計(jì)算任務(wù)；

量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊，其被配置為基于量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特

數(shù)量以及已在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，獲取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各個(gè)量

子計(jì)算任務(wù)各自的優(yōu)先級(jí)，其中，優(yōu)先級(jí)高的量子計(jì)算任務(wù)先執(zhí)行；

量子計(jì)算任務(wù)合并模塊，其被配置為將所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中按照優(yōu)先級(jí)從高到低

的順序?qū)⑷舾蓚€(gè)量子計(jì)算任務(wù)合并為一個(gè)整體量子計(jì)算任務(wù),并更新所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)

列；

量子芯片資源分配服務(wù)模塊，其被配置為基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列利用社區(qū)發(fā)

現(xiàn)算法和貪婪算法在量子芯片的空閑量子比特中獲取符合要求的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其

中，所述空閑量子比特為所述量子芯片中未被分配量子計(jì)算任務(wù)的量子比特；

量子計(jì)算任務(wù)調(diào)度與映射模塊，其被配置為基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列調(diào)度待執(zhí)

行的量子計(jì)算任務(wù),并將待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序依次映射到所

述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

2.如權(quán)利要求1所述的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于，所述量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處

理模塊包括：

量子計(jì)算任務(wù)狀態(tài)獲取單元，其被配置為獲取量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)

的深度、所需的量子比特?cái)?shù)量以及在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間；

量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)獲取單元，其被配置為獲取每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)量

子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為R,R=(W+l)/(n*d)/為量子計(jì)算任務(wù)的在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列

中等待的時(shí)間,n為量子計(jì)算任務(wù)需要的量子比特?cái)?shù)量,d為量子計(jì)算任務(wù)的深度。

3.如權(quán)利要求1所述的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于，所述符合要求包括:所述量

子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的量子比特?cái)?shù)量等于當(dāng)前待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)所需的量子比特?cái)?shù)量,

所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊密程度、所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有量子比特的讀取保真

度、所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)的可靠性參數(shù)以及所述量子比特拓?fù)?/p>

結(jié)構(gòu)中饋線(xiàn)的數(shù)量均符合預(yù)先設(shè)置的閾值。

4.如權(quán)利要求1所述的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于，還包括：

相干時(shí)間獲取與判斷模塊，其被配置為獲取所述量子芯片中所述空閑量子比特的相干

時(shí)間，判斷各所述空閑量子比特的相干時(shí)間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根據(jù)當(dāng)

前待處理的量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間確定；

量子芯片資源判別模塊，其被配置為在判斷結(jié)果為否時(shí)，將相應(yīng)的量子比特設(shè)置為不

可用量子比特，所述量子芯片資源分配服務(wù)模塊不會(huì)將所述不可用量子比特劃分到所述量

子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

5.一種量子計(jì)算機(jī)中量子計(jì)算任務(wù)的處理方法，其特征在于，包括：

接收量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列，其中，所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列包括多個(gè)量子計(jì)算任務(wù)；

基于量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待

的時(shí)間，獲取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各個(gè)量子計(jì)算任務(wù)各自的優(yōu)先級(jí)，其中，優(yōu)先級(jí)高的

量子計(jì)算任務(wù)先執(zhí)行；

2

CN115705498A權(quán)利要求書(shū)2/2頁(yè)

將所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序?qū)⑷舾蓚€(gè)量子計(jì)算任務(wù)合并

為一個(gè)整體量子計(jì)算任務(wù)，并更新所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列；

基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列利用社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法和貪婪算法在量子芯片的空閑量

子比特中獲取符合要求的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，所述空閑量子比特為所述量子芯片中

未被分配量子計(jì)算任務(wù)的量子比特；

基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列調(diào)度待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)，并將待執(zhí)行的量子計(jì)算

任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序依次映射到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

6.如權(quán)利要求5所述的量子計(jì)算機(jī)中量子計(jì)算任務(wù)的處理方法，其特征在于，所述基于

量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，

獲取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各個(gè)量子計(jì)算任務(wù)以各自的優(yōu)先級(jí),包括：

獲取量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需的量子比特?cái)?shù)量以及在所述

量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間；

獲取每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為R,R=(W+l)/(n*d),W

為量子計(jì)算任務(wù)的在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，n為量子計(jì)算任務(wù)需要的量子

比特?cái)?shù)量,d為量子計(jì)算任務(wù)的深度。

7.如權(quán)利要求5所述的量子計(jì)算機(jī)中量子計(jì)算任務(wù)的處理方法，其特征在于，所述符合

要求包括:所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的量子比特?cái)?shù)量等于當(dāng)前待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)所需

的量子比特?cái)?shù)量，所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊密程度、所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有量子

比特的讀取保真度、所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)的可靠性參數(shù)以及所

述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中饋線(xiàn)的數(shù)量均符合預(yù)先設(shè)置的閾值。

8.如權(quán)利要求5所述的量子計(jì)算機(jī)中量子計(jì)算任務(wù)的處理方法，其特征在于，所述處理

方法還包括：

獲取所述量子芯片中所述空閑量子比特的相干時(shí)間，判斷各所述空閑量子比特的相干

時(shí)間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根據(jù)當(dāng)前待處理的量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間

確定；

在判斷結(jié)果為否時(shí)，將相應(yīng)的量子比特設(shè)置為不可用量子比特，所述量子芯片資源配

置服務(wù)模塊不會(huì)將所述不可用量子比特劃分到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

9.一種量子計(jì)算機(jī)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的量子計(jì)算機(jī)操作

系統(tǒng)。

10.一種可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被一處

理器執(zhí)行時(shí)能實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求5至8任一項(xiàng)所述的處理方法。

11.一種電子裝置，包括存儲(chǔ)器和處理器，其特征在于，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程

序，所述處理器被設(shè)置為運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序以執(zhí)行權(quán)利要求5至8任一項(xiàng)所述的處理方

法。

3

CN115705498A說(shuō)明書(shū)1/11頁(yè)

量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)以及量子計(jì)算機(jī)

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明涉及量子計(jì)算領(lǐng)域，尤其是涉及一種量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)以及量子計(jì)算

機(jī)。

背景技術(shù)

[0002]量子計(jì)算機(jī)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子

信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)主要有運(yùn)行速度較快、處置信息能力較強(qiáng)、應(yīng)用范圍較

廣等。與一般計(jì)算機(jī)比較起來(lái)，信息處理量愈多,對(duì)于量子計(jì)算機(jī)實(shí)施運(yùn)算也就愈加有利，

也就更能確保運(yùn)算具備精準(zhǔn)性。

[0003]操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)的重要性不言而喻，對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)如此，對(duì)還在初期發(fā)展中的

量子計(jì)算機(jī)技術(shù)更是如此。量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)決定了量子計(jì)算機(jī)的功能、計(jì)算效率、穩(wěn)定

性，進(jìn)而決定了量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用程度。量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是量子計(jì)算機(jī)中連接終端和

量子計(jì)算機(jī)的核心部件量子芯片的工具,量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)一方面接收用戶(hù)發(fā)送來(lái)的量

子計(jì)算任務(wù)，另一方面需要將這些量子計(jì)算任務(wù)映射到量子芯片中具體的量子比特拓?fù)浣Y(jié)

構(gòu)中以完成對(duì)這些量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行?，F(xiàn)有技術(shù)中量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的這種方案極大

地限制了量子芯片中量子比特的利用率，造成了量子芯片資源的浪費(fèi)。

[0004]因此，如何提高量子芯片中量子比特的利用率成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)以及量子計(jì)算機(jī),用于解決現(xiàn)有

技術(shù)中的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)限制了量子芯片中量子比特的利用率的問(wèn)題。

[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，包括：

[0007]量子計(jì)算任務(wù)接收模塊,其被配置為接收量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列，其中，所述量子計(jì)算

任務(wù)隊(duì)列包括多個(gè)量子計(jì)算任務(wù)；

[0008]量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊，其被配置為基于量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子

比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，獲取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各

個(gè)量子計(jì)算任務(wù)各自的優(yōu)先級(jí)，其中，優(yōu)先級(jí)高的量子計(jì)算任務(wù)先執(zhí)行；

[0009]量子計(jì)算任務(wù)合并模塊,其被配置為將所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中按照優(yōu)先級(jí)從高

到低的順序?qū)⑷舾蓚€(gè)量子計(jì)算任務(wù)合并為一個(gè)整體量子計(jì)算任務(wù)，并更新所述量子計(jì)算任

務(wù)隊(duì)列；

[0010]量子芯片資源分配服務(wù)模塊，其被配置為基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列利用社

區(qū)發(fā)現(xiàn)算法和貪婪算法在量子芯片的空閑量子比特中獲取符合要求的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),

其中，所述空閑量子比特為所述量子芯片中未被分配量子計(jì)算任務(wù)的量子比特；

[0011]量子計(jì)算任務(wù)調(diào)度與映射模塊,其被配置為基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列調(diào)度

待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)，并將待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序依次映射

到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

4

CN115705498A說(shuō)明書(shū)2/11頁(yè)

[0012]可選地，所述量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊包括：

[0013]量子計(jì)算任務(wù)狀態(tài)獲取單元，其被配置為獲取量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中每個(gè)量子計(jì)算

任務(wù)的深度、所需的量子比特?cái)?shù)量以及在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間；

[0014]量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)獲取單元，其被配置為獲取每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，每

個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為R，R=(W+l)/(n*d),W為量子計(jì)算任務(wù)的在所述量子計(jì)算任務(wù)

隊(duì)列中等待的時(shí)間,n為量子計(jì)算任務(wù)需要的量子比特?cái)?shù)量,d為量子計(jì)算任務(wù)的深度。

[0015]可選地，所述符合要求包括:所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的量子比特?cái)?shù)量等于當(dāng)前

待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)所需的量子比特?cái)?shù)量，所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊密程度、所述量

子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有量子比特的讀取保真度、所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中執(zhí)行兩比特量子

邏輯門(mén)的可靠性參數(shù)以及所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中饋線(xiàn)的數(shù)量均符合預(yù)先設(shè)置的閾值。

[0016]可選地，還包括：

[0017]相干時(shí)間獲取與判斷模塊，其被配置為獲取所述量子芯片中所述空閑量子比特的

相干時(shí)間，判斷各所述空閑量子比特的相干時(shí)間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根

據(jù)當(dāng)前待處理的量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間確定；

[0018]量子芯片資源判別模塊，其被配置為在判斷結(jié)果為否時(shí)，將相應(yīng)的量子比特設(shè)置

為不可用量子比特,所述量子芯片資源分配服務(wù)模塊不會(huì)將所述不可用量子比特劃分到所

述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

[0019]基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提出一種量子計(jì)算機(jī)中量子計(jì)算任務(wù)的處理方法，

包括：

[0020]接收量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列，其中，所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列包括多個(gè)量子計(jì)算任務(wù)；

[0021]基于量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中

等待的時(shí)間，獲取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各個(gè)量子計(jì)算任務(wù)各自的優(yōu)先級(jí)，其中，優(yōu)先級(jí)

高的量子計(jì)算任務(wù)先執(zhí)行；

[0022]將所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序?qū)⑷舾蓚€(gè)量子計(jì)算任務(wù)

合并為一個(gè)整體量子計(jì)算任務(wù)，并更新所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列；

[0023]基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列利用社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法和貪婪算法在量子芯片的空

閑量子比特中獲取符合要求的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，所述空閑量子比特為所述量子芯

片中未被分配量子計(jì)算任務(wù)的量子比特；

[0024]基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列調(diào)度待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)，并將待執(zhí)行的量子

計(jì)算任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序依次映射到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

[0025]可選地，所述基于量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)

算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，獲取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各個(gè)量子計(jì)算任務(wù)以各自的優(yōu)先

級(jí)，包括：

[0026]獲取量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需的量子比特?cái)?shù)量以及在

所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間；

[0027]獲取每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為R,R=(W+l)/(n*

d),W為量子計(jì)算任務(wù)的在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，n為量子計(jì)算任務(wù)需要的

量子比特?cái)?shù)量,d為量子計(jì)算任務(wù)的深度。

[0028]可選地，所述符合要求包括:所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的量子比特?cái)?shù)量等于當(dāng)前

5

CN115705498A說(shuō)明書(shū)3/11頁(yè)

待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)所需的量子比特?cái)?shù)量，所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊密程度、所述量

子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有量子比特的讀取保真度、所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中執(zhí)行兩比特量子

邏輯門(mén)的可靠性參數(shù)以及所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中饋線(xiàn)的數(shù)量均符合預(yù)先設(shè)置的閾值。

[0029]可選地，所述處理方法還包括：

[0030]獲取所述量子芯片中所述空閑量子比特的相干時(shí)間，判斷各所述空閑量子比特的

相干時(shí)間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根據(jù)當(dāng)前待處理的量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行

時(shí)間確定；

[0031]在判斷結(jié)果為否時(shí)，將相應(yīng)的量子比特設(shè)置為不可用量子比特，所述量子芯片資

源配置服務(wù)模塊不會(huì)將所述不可用量子比特劃分到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

[0032]基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提出一種量子計(jì)算機(jī),包括上述特征描述中任一項(xiàng)

所述的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

[0033]基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提出一種可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所

述計(jì)算機(jī)程序被一處理器執(zhí)行時(shí)能實(shí)現(xiàn)上述特征描述中任一項(xiàng)所述的處理方法。

[0034]基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提出一種電子裝置,包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)

器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器被設(shè)置為運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序以執(zhí)行上述特征描述中

任一項(xiàng)所述的處理方法。

[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

[0036]1、本發(fā)明提出的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，包括量子計(jì)算任務(wù)接收模塊、量子計(jì)算任

務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊、量子計(jì)算任務(wù)合并模塊、量子芯片資源分配服務(wù)模塊以及量子計(jì)算任

務(wù)調(diào)度與映射模塊，其中，量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊將量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中的量子計(jì)

算任務(wù)按照量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等

待的時(shí)間劃分各自的優(yōu)先級(jí)，在量子芯片資源無(wú)法滿(mǎn)足所有任務(wù)同時(shí)執(zhí)行時(shí)，通過(guò)將優(yōu)先

級(jí)高的量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，提高了量子芯片中量子比特的利用率，有效減少了量子計(jì)

算任務(wù)隊(duì)列中量子計(jì)算任務(wù)的總體等待時(shí)間。

[0037]2、由于兩個(gè)孤立的量子計(jì)算任務(wù)之間并不知道對(duì)方的執(zhí)行時(shí)序，在映射過(guò)程中為

了避免串?dāng)_的發(fā)生,會(huì)盡可能將這兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)映射的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在量子芯片

上間隔足夠遠(yuǎn)。本申請(qǐng)中量子計(jì)算任務(wù)合并模塊可將若干個(gè)量子計(jì)算任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)從高

到低的順序合并為一個(gè)整體量子計(jì)算任務(wù)，由于合并之后，所述整體量子計(jì)算任務(wù)中各個(gè)

量子計(jì)算任務(wù)的時(shí)序是已知的，因此，在映射過(guò)程中可以充分利用這些時(shí)序,原本需要間隔

開(kāi)映射的兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)可以映射在一個(gè)完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步提高了量子芯片中

量子比特的利用率。

[0038]3、本申請(qǐng)中的量子芯片資源分配服務(wù)模塊在量子芯片的空閑量子比特中利用社

區(qū)發(fā)現(xiàn)算法和貪婪算法獲取符合要求的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用了“從下往上”的思想對(duì)系

統(tǒng)的量子芯片集群中空閑量子比特?cái)?shù)量符合要求的某一個(gè)量子芯片的空閑量子比特按照

待處理的量子計(jì)算任務(wù)的實(shí)際需求進(jìn)行高質(zhì)量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分區(qū),所獲得的所述量子比特拓?fù)?/p>

結(jié)構(gòu)能與所述待處理的量子計(jì)算任務(wù)實(shí)現(xiàn)唯一匹配，無(wú)匹配等待時(shí)間且匹配度高,大大提

高了量子芯片的資源利用率的同時(shí)，也有效提高了程序等待隊(duì)列中的量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行

時(shí)效性;利用該方法能夠?yàn)槌绦虻却?duì)列中的每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)在系統(tǒng)的量子芯片集群中

某一滿(mǎn)足要求的量子芯片的空閑量子比特上快速找到各自最優(yōu)的分區(qū)區(qū)域來(lái)執(zhí)行映射。

6

CN115705498A說(shuō)明書(shū)4/11頁(yè)

附圖說(shuō)明

[0039]圖1為本實(shí)施例提出的一種量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

[0040]圖2為利用所述量子計(jì)算任務(wù)合并模塊合并量子計(jì)算任務(wù)P1和P2后進(jìn)行整體映射

的示意圖；

[0041]圖3為一種量子芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

[0042]圖4為本實(shí)施例提出的一種量子計(jì)算機(jī)中量子計(jì)算任務(wù)的處理方法的流程示意

圖。

具體實(shí)施方式

[0043]下面將結(jié)合示意圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的描述。根據(jù)下列描述和

權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均

使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

[0044]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的

方位或者位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系,僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描

述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作,

因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

[0045]此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性

或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者

隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩

個(gè)，三個(gè)等,除非另有明確具體的限定。

[0046]請(qǐng)參考圖1,本發(fā)明實(shí)施例提出一種量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，包括量子計(jì)算任務(wù)接收

模塊10、量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊20、量子計(jì)算任務(wù)合并模塊30、量子芯片資源分配服

務(wù)模塊40以及量子計(jì)算任務(wù)調(diào)度與映射模塊50。

[0047]所述量子計(jì)算任務(wù)接收模塊10被配置為接收量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列，其中，所述量子

計(jì)算任務(wù)隊(duì)列包括多個(gè)量子計(jì)算任務(wù)。

[0048]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，所述量子計(jì)算任務(wù)通過(guò)用戶(hù)實(shí)時(shí)上傳，在本實(shí)施

例中，所述量子計(jì)算任務(wù)的上傳方式可為用戶(hù)在量子云平臺(tái)上提交相應(yīng)的任務(wù)，隨著用戶(hù)

對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域的研究興趣日益濃厚，越來(lái)越多的量子計(jì)算任務(wù)將提交到量子云平臺(tái)。然

而由于目前量子芯片集群使用的NISQ(NoisyIntermediate-ScaleQuantum)設(shè)備的量子

比特具有有限的相干時(shí)間和容易出錯(cuò)的量子邏輯門(mén)，在量子云平臺(tái)的使用過(guò)程中隨著用戶(hù)

提交的量子計(jì)算任務(wù)不斷增多,將有一個(gè)量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列。一般情況下，量子計(jì)算任務(wù)對(duì)

量子芯片集群的量子比特?cái)?shù)量的需求是大于量子芯片集群的處理能力的，如何調(diào)度量子計(jì)

算任務(wù)確?；诹孔有酒撼浞掷玫娜蝿?wù)執(zhí)行時(shí)需要研究的。

[0049]本申請(qǐng)通過(guò)獨(dú)特的量子計(jì)算任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)確定方式調(diào)度量子計(jì)算任務(wù)以確保

該效果，為了達(dá)到該效果，本申請(qǐng)中所述量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊20被配置為基于量

子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，獲

取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各個(gè)量子計(jì)算任務(wù)各自的優(yōu)先級(jí)，其中，優(yōu)先級(jí)高的量子計(jì)算

任務(wù)先執(zhí)行。

[0050]具體地，所有當(dāng)前尚未處理的量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)的值可以基于以下排序指標(biāo)

7

CN115705498A說(shuō)明書(shū)5/11頁(yè)

公式進(jìn)行計(jì)算:R=(W+1)/S；其中，R為優(yōu)先級(jí)的值,W為所述量子計(jì)算任務(wù)提交后在所述量

子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中的排隊(duì)等待時(shí)間，S為所述量子計(jì)算任務(wù)的大小，它可表示為S=n*d,其

中n為執(zhí)行所述量子計(jì)算任務(wù)所需量子比特?cái)?shù)量,d為所述量子計(jì)算任務(wù)的深度，所述深度

表征的是所述量子計(jì)算任務(wù)對(duì)應(yīng)的量子線(xiàn)路的深度，也為量子線(xiàn)路的長(zhǎng)度。

[0051]通過(guò)以上的量子計(jì)算任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)，不僅考慮了量子計(jì)算任務(wù)的等待時(shí)間，還

考慮基于量子比特?cái)?shù)以及量子計(jì)算任務(wù)的深度的量子計(jì)算任務(wù)的大小，量子比特?cái)?shù)以及量

子計(jì)算任務(wù)的深度的考量確保了量子芯片集群的充分利用，進(jìn)而提高了量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列

的執(zhí)行效率。

[0052]可以理解的是,層為量子線(xiàn)路深度的單位，一層是指一個(gè)(層)時(shí)序,一層量子邏輯

門(mén)為可同時(shí)執(zhí)行的位于一個(gè)時(shí)序內(nèi)的量子邏輯門(mén)，同一層量子邏輯門(mén)為可同時(shí)執(zhí)行的同一

時(shí)序量子邏輯門(mén)。

[0053]另外，通過(guò)優(yōu)先級(jí)的排序指標(biāo)公式可知優(yōu)先級(jí)存在以下規(guī)則：R越大，其所對(duì)應(yīng)的

所述量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高。因此,W能夠保證所述量子計(jì)算任務(wù)先到先得的原則；并

且在當(dāng)排隊(duì)等待時(shí)間相近時(shí),S越小的所述量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高，這保證了最大化量

子資源利用率。針對(duì)S也相近的所述量子計(jì)算任務(wù)，其中，所需量子比特?cái)?shù)量越小的所述量

子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高。因此在量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中，具有最高R值的所述量子計(jì)算任務(wù)

即為具有最高優(yōu)先級(jí)的量子計(jì)算任務(wù)。

[0054]按照前面的優(yōu)先級(jí)規(guī)則,所述第一任務(wù)以及所述第二任務(wù)為所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)

列中優(yōu)先級(jí)最高的兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)。同樣地,所述量子計(jì)算任務(wù)調(diào)度模塊40可按照優(yōu)先

級(jí)從高到低的順序依次調(diào)度所述若干個(gè)短任務(wù)。量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊20將量子計(jì)

算任務(wù)隊(duì)列中的量子計(jì)算任務(wù)按照量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述

量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間劃分各自的優(yōu)先級(jí)，在量子芯片資源無(wú)法滿(mǎn)足所有任務(wù)同

時(shí)執(zhí)行時(shí)，通過(guò)將優(yōu)先級(jí)高的量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行,提高了量子芯片中量子比特的利用

率，有效減少了量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中量子計(jì)算任務(wù)的總體等待時(shí)間。

[0055]所述量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)處理模塊20包括量子計(jì)算任務(wù)狀態(tài)獲取單元以及量子

計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)獲取單元,所述量子計(jì)算任務(wù)狀態(tài)獲取單元被配置為獲取量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)

列中每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需的量子比特?cái)?shù)量以及在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待

的時(shí)間。所述量子計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)獲取單元被配置為獲取每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，每

個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為R，R=(W+l)/(n*d),W為量子計(jì)算任務(wù)的在所述量子計(jì)算任務(wù)

隊(duì)列中等待的時(shí)間,n為量子計(jì)算任務(wù)所需量子比特的數(shù)量,d為量子計(jì)算任務(wù)的深度。

[0056]發(fā)明人在實(shí)際應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)中均需要兩比特量子邏輯門(mén)參

與時(shí)，若將這兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)映射在比較靠近的兩個(gè)量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中時(shí)，不可避免

地會(huì)發(fā)生串?dāng)_影響，從而導(dǎo)致兩比特量子邏輯門(mén)的誤差率急劇增加。為了避免串?dāng)_的發(fā)生,

現(xiàn)有技術(shù)中量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)在映射兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)時(shí)，當(dāng)這兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)中均

需要兩比特量子邏輯門(mén)參與時(shí)，會(huì)盡可能將這兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)映射的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在量子芯片上間隔足夠遠(yuǎn)以減少串?dāng)_影響?，F(xiàn)有技術(shù)中這種方案極大地限制了量子芯片中

量子比特的利用率，造成了量子芯片資源的浪費(fèi)。

[0057]為了解決上述問(wèn)題，本申請(qǐng)的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中設(shè)置有所述量子計(jì)算任務(wù)合

并模塊30,所述量子計(jì)算任務(wù)合并模塊30被配置為將所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中按照優(yōu)先級(jí)

8

CN115705498A說(shuō)明書(shū)6/11頁(yè)

從高到低的順序?qū)⑷舾蓚€(gè)量子計(jì)算任務(wù)合并為一個(gè)整體量子計(jì)算任務(wù)，并更新所述量子計(jì)

算任務(wù)隊(duì)列。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，為了便于理解本申請(qǐng)的技術(shù)方案，在本實(shí)施例

中均以合并兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)為例，其它更多數(shù)量的量子計(jì)算任務(wù)的合并均可由兩個(gè)量子

計(jì)算任務(wù)的合并過(guò)程推導(dǎo)得出。

[0058]由于兩個(gè)孤立的量子計(jì)算任務(wù)之間并不知道對(duì)方的執(zhí)行時(shí)序，在映射過(guò)程中為了

避免串?dāng)_的發(fā)生，會(huì)盡可能將這兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)映射的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在量子芯片上

間隔足夠遠(yuǎn)。本申請(qǐng)中量子計(jì)算任務(wù)合并模塊30可將若干個(gè)量子計(jì)算任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)從高

到低的順序合并為一個(gè)整體量子計(jì)算任務(wù)，由于合并之后，所述整體量子計(jì)算任務(wù)中各個(gè)

量子計(jì)算任務(wù)的時(shí)序是已知的，因此，在映射過(guò)程中可以充分利用這些時(shí)序,原本需要間隔

開(kāi)映射的兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)可以映射在一個(gè)完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步提高了量子芯片中

量子比特的利用率。

[0059]另外，當(dāng)兩個(gè)的量子計(jì)算任務(wù)相互獨(dú)立地映射到量子芯片上時(shí)，量子芯片中量子

比特間SWAP門(mén)操作的數(shù)量會(huì)顯著增加。請(qǐng)參考圖2,圖2為利用所述量子計(jì)算任務(wù)合并模塊

30合并量子計(jì)算任務(wù)P1和P2后進(jìn)行整體映射的示意圖，圖2中Plallocation表示一個(gè)量子

計(jì)算任務(wù)P1的映射分區(qū)，P2allocation表示另一個(gè)與P1量子計(jì)算任務(wù)的映射分區(qū)相鄰的

量子計(jì)算任務(wù)P2的映射分區(qū)，兩個(gè)映射分區(qū)分別分配在兩個(gè)虛線(xiàn)框中。qi和qj是P1量子計(jì)

算任務(wù)對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行的量子線(xiàn)路中需要立即執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)的量子比特，它們都處

于已映射但未執(zhí)行的狀態(tài)。

[0060]在量子計(jì)算任務(wù)P1的映射分區(qū)中，qi和qj之間具有其他三個(gè)具有連接關(guān)系的量子

比特，在qi和qj的執(zhí)行過(guò)程中需要借助這三個(gè)量子比特作為路由進(jìn)行SWAP門(mén)逐層轉(zhuǎn)換操

作，因此qi和qj的執(zhí)行需要三個(gè)路由。然而，由于任意兩個(gè)具有直接連接關(guān)系的量子比特的

門(mén)操作均存在誤差，也即通過(guò)三個(gè)路由執(zhí)行的qi和qj之間的門(mén)操作誤差會(huì)累積增大，這在

一定程度上降低了量子計(jì)算任務(wù)P1的保真度。而通過(guò)觀(guān)察圖2中該量子芯片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可

知，在量子計(jì)算任務(wù)P2的映射分區(qū)中存在著一個(gè)量子比特qn分別與量子比特qi和qj具有連

接關(guān)系。如果將量子計(jì)算任務(wù)P1和量子計(jì)算任務(wù)P2進(jìn)行合并，那么量子比特qi和qj執(zhí)行兩

比特量子邏輯門(mén)時(shí)的交換操作可能會(huì)走捷徑。將量子計(jì)算任務(wù)P1和量子計(jì)算任務(wù)P2合并

后，量子計(jì)算任務(wù)P1和量子計(jì)算任務(wù)P2的所有量子比特將會(huì)共享經(jīng)過(guò)合并后的映射分區(qū)，

此時(shí)量子比特qi和qj會(huì)選擇通過(guò)比量子計(jì)算任務(wù)P1映射區(qū)域內(nèi)部交換路徑更短的交換路

徑來(lái)執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)，即量子比特qi和qj會(huì)選擇存在于量子計(jì)算任務(wù)P2的映射區(qū)域

中的與兩者具有直接連接的量子比特qn進(jìn)行SWAP門(mén)操作，從而通過(guò)一個(gè)路由和一次SWAP門(mén)

操作就實(shí)現(xiàn)了量子比特qi和qj間兩比特量子邏輯門(mén)的操作。這樣可有效降低門(mén)操作誤差，

在一定程度上提高了量子計(jì)算任務(wù)的保真度。

[0061]通過(guò)上述分析可知，利用本申請(qǐng)的量子計(jì)算任務(wù)合并模塊30合并兩個(gè)量子計(jì)算任

務(wù)后，再進(jìn)行整體映射有助于減少SWAP門(mén)開(kāi)銷(xiāo)，還可以充分利用強(qiáng)大的量子比特以及量子

芯片上的鏈接，從而降低映射期間的SWAP門(mén)成本，并減少多個(gè)并發(fā)的量子計(jì)算任務(wù)之間的

干擾和改進(jìn)整體保真度。

[0062]進(jìn)一步地，由于量子芯片的量子比特是脆弱的，極易受到噪聲的干擾，當(dāng)兩個(gè)量子

計(jì)算任務(wù)中均需要兩比特量子邏輯門(mén)參與時(shí)，若將這兩個(gè)量子計(jì)算任務(wù)映射在比較靠近的

兩個(gè)量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中時(shí)，不可避免地會(huì)發(fā)生串?dāng)_影響，這也將導(dǎo)致兩比特量子邏輯門(mén)

9

CN115705498A說(shuō)明書(shū)7/11頁(yè)

的操作誤差急劇增加，一定程度上也嚴(yán)重影響了量子計(jì)算任務(wù)的保真度。并且在兩個(gè)量子

計(jì)算任務(wù)的最佳映射分區(qū)中，一些受串?dāng)_影響的量子比特將不得不閑置，這在一定程度上

也造成了量子比特資源的浪費(fèi)，降低了量子比特資源的利用率。在利用本申請(qǐng)中的量子計(jì)

算任務(wù)合并模塊30后，由于合并后，所述整體量子計(jì)算任務(wù)中各個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的時(shí)序是

已知的，在映射過(guò)程中可利用時(shí)序有效避免串?dāng)_影響的發(fā)生，請(qǐng)參考圖3,圖3為一種量子芯

片的示意圖，假設(shè)有量子計(jì)算任務(wù)，分別為第一量子計(jì)算任務(wù)和第二量子計(jì)算任務(wù)，其中，

第一量子計(jì)算任務(wù)需要9個(gè)量子比特，第二量子計(jì)算任務(wù)需要7個(gè)量子比特。在經(jīng)所述量子

計(jì)算任務(wù)合并模塊30合并后映射到圖3的量子芯片中，其中，第一量子計(jì)算任務(wù)映射區(qū)域?yàn)?/p>

、12?13?14?22?23?24?32?33以及（534，第二量子計(jì)算任務(wù)映射區(qū)域?yàn)槁??25?35?42?43、

Q44以及Q45,若在第一量子計(jì)算任務(wù)和第二量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)序中，存在某一時(shí)刻需要

均執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)，那么在映射時(shí)將用于執(zhí)行這個(gè)兩個(gè)量子邏輯門(mén)的四個(gè)比特在各

自的映射區(qū)域中間隔開(kāi)，例如，可以考慮在第一量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行區(qū)域中選擇Q/Q13、來(lái)

執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)，在第二量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行區(qū)域中選擇Q44以及Q45來(lái)執(zhí)行兩比特

量子邏輯門(mén)，利用這種方式可有在映射時(shí)就有效避免串?dāng)_的發(fā)生。需要注意的是，上述芯片

結(jié)構(gòu)以及量子計(jì)算任務(wù)執(zhí)行區(qū)域的劃分僅是為了便于理解本申請(qǐng)的方案而進(jìn)行的例舉，不

能視為對(duì)本申請(qǐng)的任何限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，以上示例中想要表達(dá)的是這

樣一種如何有效規(guī)避串?dāng)_發(fā)生的方案。還有很多其它的示例,在此不一一贅述。

[0063]量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)在將若干個(gè)量子計(jì)算任務(wù)合并成所述整體量子計(jì)算任務(wù)后，

需要根據(jù)所述整體量子計(jì)算任務(wù)所需的量子比特?cái)?shù)量在量子芯片中分配相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),

在現(xiàn)有技術(shù)中，量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)一般是先將量子芯片上的所有量子比特按照多層分割

處理方法分割成若干個(gè)可執(zhí)行的量子線(xiàn)路塊（也即量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），然后根據(jù)待運(yùn)行的

量子計(jì)算任務(wù)中量子比特?cái)?shù)量從中選取可用的可執(zhí)行的量子線(xiàn)路塊來(lái)執(zhí)行映射，可用的可

執(zhí)行量子線(xiàn)路塊的量子比特?cái)?shù)量與待運(yùn)行的量子程序中量子比特?cái)?shù)量相同。然而隨著量子

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中量子計(jì)算需求的不斷增加，需要處理的量子計(jì)算任務(wù)的數(shù)量將不斷增

多，并且各量子計(jì)算任務(wù)所需的量子比特?cái)?shù)量差異化較大，利用該種可執(zhí)行的量子線(xiàn)路塊

來(lái)進(jìn)行待運(yùn)行量子計(jì)算任務(wù)的映射會(huì)存在可執(zhí)行的量子線(xiàn)路塊分割不合理、查找與待運(yùn)行

量子計(jì)算任務(wù)相匹配的可執(zhí)行的量子線(xiàn)路塊的處理時(shí)間長(zhǎng)，使得量子芯片的量子比特資源

利用率低、量子計(jì)算任務(wù)運(yùn)行等待時(shí)間長(zhǎng)以及程序運(yùn)行時(shí)效性低的問(wèn)題，導(dǎo)致用戶(hù)體驗(yàn)感

差。

[0064]為了解決這一問(wèn)題，本實(shí)施例提出的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中所述量子芯片資源分

配服務(wù)模塊40被配置為基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列利用社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法和貪婪算法在

量子芯片的空閑量子比特中獲取符合要求的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，所述空閑量子比特

為所述量子芯片中未被分配量子計(jì)算任務(wù)的量子比特。

[0065]通過(guò)所述社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法和所述貪婪算法可以獲取獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，由于所述獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的

值通過(guò)一空閑量子比特附近量子比特的讀取保真度、該量子比特附近量子比特中任意兩個(gè)

存在直接連接關(guān)系的量子比特間執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)操作的可靠性參數(shù)以及饋線(xiàn)的數(shù)

量確定。因此可以將該量子比特附近量子比特的讀取保真度、該量子比特附近量子比特中

任意兩個(gè)存在直接連接關(guān)系的量子比特間執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)操作的可靠性參數(shù)以及

饋線(xiàn)的數(shù)量均在所述預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的量子比特設(shè)置為所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人

10

CN115705498A說(shuō)明書(shū)8/11頁(yè)

員可以理解的是，所述獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的值是否符合要求可以根據(jù)所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的質(zhì)量

要求進(jìn)行確定，在此不做限制。

[0066]所述獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)為：

1

[0067]F=Qm-Q。+3EU+/?-

Lt

[0068]其中，F(xiàn)為所述獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的值,Q.為加入一個(gè)其它量子比特后所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)

構(gòu)的緊密程度,Q。為加入一個(gè)其它量子比特前所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊密程度。E為加入

一個(gè)其它量子比特后所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任意兩個(gè)存在直接連接關(guān)系的量子比特間

執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)操作的保真度的平均值,所述兩個(gè)存在直接連接關(guān)系的量子比特間

執(zhí)行兩比特量子邏輯門(mén)操作的保真度即為兩個(gè)存在直接連接關(guān)系的量子比特之間的鏈路

的可靠性。V為加入一個(gè)其它量子比特后所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有量子比特的讀取保

真度的平均值。3邛為預(yù)先配置的權(quán)重系數(shù)，為一經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。L為加入一個(gè)其它量子比特后

所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中饋線(xiàn)的總數(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，對(duì)于一種特定的量

子芯片集群，可以利用合適的川、B來(lái)調(diào)整某一量子芯片中所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物理拓

撲、兩比特量子邏輯門(mén)的操作錯(cuò)誤率和饋線(xiàn)結(jié)構(gòu)的權(quán)重，使得所述獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的值最大化。示

例性的，如果所述獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的計(jì)算公式的第三項(xiàng)很大,表明合并后所得社區(qū)結(jié)構(gòu)會(huì)覆蓋一

些饋線(xiàn)，需要盡可能填滿(mǎn)這些饋線(xiàn)。

[0069]需要說(shuō)明的是，所述獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)利用所述社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法和所述貪婪算法獲取,其中，

所述社區(qū)發(fā)現(xiàn)(communitydetection)算法是用來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的社區(qū)結(jié)構(gòu)，屬于一種聚

類(lèi)算法，這些被劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)是一個(gè)子圖,包括頂點(diǎn)和邊，同一社區(qū)內(nèi)的頂點(diǎn)之間的連接

緊密，而社區(qū)與社區(qū)之間的連接相對(duì)稀疏。選用模塊度(Modularity)作為評(píng)價(jià)一個(gè)社區(qū)結(jié)

構(gòu)的劃分好壞的度量指標(biāo),所述模塊度是社區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)部邊的度數(shù)減去社區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)頂點(diǎn)的總

度數(shù)，它的計(jì)算公式為

[0070]Q=Z(嶺-(翼尸)

[0071]其中，Q為一個(gè)社區(qū)結(jié)構(gòu)C的模塊度,模塊度Q的值越高，表明社區(qū)結(jié)構(gòu)C的劃分越合

適,m為社區(qū)結(jié)構(gòu)C的總邊數(shù),Ic為社區(qū)結(jié)構(gòu)C中所有內(nèi)部邊的條數(shù),De為社區(qū)結(jié)構(gòu)C中所有頂

點(diǎn)的度之和。

[0072]量子程序通過(guò)使用兩比特量子邏輯門(mén)來(lái)制造糾纏，且兩比特量子邏輯門(mén)只能在量

子芯片上耦合的兩個(gè)物理量子比特之間執(zhí)行。因此，執(zhí)行單個(gè)量子計(jì)算任務(wù)所需的量子芯

片上的量子比特應(yīng)當(dāng)緊密分配，不同的量子計(jì)算任務(wù)之間應(yīng)避免串?dāng)_等相互干擾。所述量

子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相當(dāng)于是量子芯片上空閑的物理量子比特聚集的社區(qū)結(jié)構(gòu)，因此，所述量

子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊密程度可以利用所述社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法的模塊度Q計(jì)算公式獲取，其

中量子芯片的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的每個(gè)量子比特相當(dāng)于社區(qū)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)，兩個(gè)量子比特之間的鏈

路相當(dāng)于社區(qū)結(jié)構(gòu)的邊。

[0073]所述貪婪算法的思想為將量子芯片的某個(gè)空閑量子比特作為一個(gè)社區(qū)結(jié)構(gòu)，不斷

地將該量子比特附近的空閑量子比特與該社區(qū)結(jié)構(gòu)合并形成一個(gè)新的社區(qū)結(jié)構(gòu)，使得所述

獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的值最大化，直到得到一個(gè)最終的社區(qū)結(jié)構(gòu)包含了所述量子計(jì)算任務(wù)所需要的量

子比特?cái)?shù)量，所述最終的社區(qū)結(jié)構(gòu)即為所求的所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

11

CN115705498A說(shuō)明書(shū)9/11頁(yè)

[0074]進(jìn)一步地，由于量子芯片中每個(gè)量子比特的相干時(shí)間有限且是不同的，其中，相干

時(shí)間越大的量子比特的可靠性越好。如果一個(gè)量子計(jì)算任務(wù)所在的所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中存在相干時(shí)間較短的量子比特，那么所述量子計(jì)算任務(wù)的保真度將受到很大影響。量子

比特的退相干誤差相對(duì)于量子程序的長(zhǎng)度呈指數(shù)增長(zhǎng)。因此，量子計(jì)算任務(wù)應(yīng)該要在相干

時(shí)間比自身執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的量子比特上執(zhí)行，在獲取所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前，需要將相

干時(shí)間相對(duì)于量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間太短的量子比特排除在劃分可用量子比特之外。

[0075]具體地，所述量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)還包括相干時(shí)間獲取與判斷模塊以及量子芯片

資源判別模塊，所述相干時(shí)間獲取與判斷模塊被配置為獲取所述量子芯片中所述空閑量子

比特的相干時(shí)間，判斷各所述空閑量子比特的相干時(shí)間是否大于第一閾值，其中，所述第一

閾值根據(jù)當(dāng)前待處理的量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間確定。所述量子芯片資源判別模塊被配置

為在判斷結(jié)果為否時(shí)，將相應(yīng)的量子比特設(shè)置為不可用量子比特，所述量子芯片資源分配

服務(wù)模塊40不會(huì)將所述不可用量子比特劃分到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

[0076]在找到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，所述量子計(jì)算任務(wù)調(diào)度與映射模塊基于更新后

的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列調(diào)度待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)，并將待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)

從高到低的順序依次映射到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。到此，所述量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)完

成了對(duì)量子計(jì)算任務(wù)的處理過(guò)程,后續(xù)則是在量子芯片中進(jìn)行執(zhí)行相應(yīng)量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)

行過(guò)程。

[0077]請(qǐng)參考圖4,基于同一發(fā)明構(gòu)思,本實(shí)施例還提出一種量子計(jì)算機(jī)中量子計(jì)算任務(wù)

的處理方法,包括：

[0078]S1：接收量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)歹!],其中，所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列包括多個(gè)量子計(jì)算任

務(wù)；

[0079]S2：基于量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)

列中等待的時(shí)間，獲取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各個(gè)量子計(jì)算任務(wù)各自的優(yōu)先級(jí)，其中，優(yōu)

先級(jí)高的量子計(jì)算任務(wù)先執(zhí)行；

[0080]S3：將所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序?qū)⑷舾蓚€(gè)量子計(jì)算任

務(wù)合并為一個(gè)整體量子計(jì)算任務(wù)，并更新所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列；

[0081]S4：基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列利用社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法和貪婪算法在量子芯片的

空閑量子比特中獲取符合要求的量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，所述空閑量子比特為所述量子

芯片中未被分配量子計(jì)算任務(wù)的量子比特；

[0082]S5：基于更新后的量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列調(diào)度待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)，并將待執(zhí)行的

量子計(jì)算任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序依次映射到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

[0083]可選地，所述基于量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需量子比特?cái)?shù)量以及已在所述量子計(jì)

算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，獲取所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中各個(gè)量子計(jì)算任務(wù)以各自的優(yōu)先

級(jí)，包括：

[0084]獲取量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的深度、所需的量子比特?cái)?shù)量以及在

所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間；

[0085]獲取每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)量子計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為R,R=(W+l)/(n*

d)/為量子計(jì)算任務(wù)的在所述量子計(jì)算任務(wù)隊(duì)列中等待的時(shí)間，n為量子計(jì)算任務(wù)需要的

量子比特?cái)?shù)量,d為量子計(jì)算任務(wù)的深度。

12

CN115705498A說(shuō)明書(shū)10/11頁(yè)

[0086]可選地，所述符合要求包括:所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的量子比特?cái)?shù)量等于當(dāng)前

待執(zhí)行的量子計(jì)算任務(wù)所需的量子比特?cái)?shù)量，所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊密程度、所述量

子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有量子比特的讀取保真度、所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中執(zhí)行兩比特量子

邏輯門(mén)的可靠性參數(shù)以及所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中饋線(xiàn)的數(shù)量均符合預(yù)先設(shè)置的閾值。

[0087]可選地，所述處理方法還包括：

[0088]獲取所述量子芯片中所述空閑量子比特的相干時(shí)間，判斷各所述空閑量子比特的

相干時(shí)間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根據(jù)當(dāng)前待處理的量子計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行

時(shí)間確定；

[0089]在判斷結(jié)果為否時(shí)，將相應(yīng)的量子比特設(shè)置為不可用量子比特，所述量子芯片資

源配置服務(wù)模塊不會(huì)將所述不可用量子比特劃分到所述量子比特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

[0090]基于同一發(fā)明構(gòu)思，本實(shí)施例還提出一種量子計(jì)算機(jī)，包括上述特征描述中任一

項(xiàng)所述的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

[0091]基于同一發(fā)明構(gòu)思,本實(shí)施例還提出一種可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序,

所述計(jì)算機(jī)程序被一處理器執(zhí)行時(shí)能實(shí)現(xiàn)上述特征描述中任一項(xiàng)所述的處理方法。

[0092]所述可讀存儲(chǔ)介質(zhì)可以是可以保持和存儲(chǔ)由指令執(zhí)行設(shè)備使用的指令的有形設(shè)

備，例如可以是但不限于電存儲(chǔ)設(shè)備、磁存儲(chǔ)設(shè)備、光存儲(chǔ)設(shè)備、電磁存儲(chǔ)設(shè)備、半導(dǎo)體存儲(chǔ)

設(shè)備或者上述的任意合適的組合?？勺x存儲(chǔ)介質(zhì)的更具體的例子(非窮舉的列表)包括:便

攜式計(jì)算機(jī)盤(pán)、硬盤(pán)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、可擦式可編程只讀存儲(chǔ)器

(EPROM或閃存)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、便攜式壓縮盤(pán)只讀存儲(chǔ)器(CD-ROM)、數(shù)字多

功能盤(pán)(DVD)、記憶棒、軟盤(pán)、機(jī)械編碼設(shè)備、例如其上存儲(chǔ)有指令的打孔卡或凹槽內(nèi)凸起結(jié)

構(gòu)、以及上述的任意合適的組合。這里所描述的計(jì)算機(jī)程序可以從可讀存儲(chǔ)介質(zhì)下載到各

個(gè)計(jì)算/處理設(shè)備，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、例如因特網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和/或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)下載到外部計(jì)

算機(jī)或外部存儲(chǔ)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)可以包括銅傳輸電纜、光纖傳輸、無(wú)線(xiàn)傳輸、路由器、防火墻、交

換機(jī)、網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)和/或邊緣服務(wù)器。每個(gè)計(jì)算/處理設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)適配卡或者網(wǎng)絡(luò)接口從

網(wǎng)絡(luò)接收所述計(jì)算機(jī)程序，并轉(zhuǎn)發(fā)該計(jì)算機(jī)程序，以供存儲(chǔ)在各個(gè)計(jì)算/處理設(shè)備中的可讀

存儲(chǔ)介質(zhì)中。用于執(zhí)行本發(fā)明操作的計(jì)算機(jī)程序可以是匯編指令、指令集架構(gòu)(ISA)指令、

機(jī)器指令、機(jī)器相關(guān)指令、微代碼、固件指令、狀態(tài)設(shè)置數(shù)據(jù)、或者以一種或多種編程語(yǔ)言的

任意組合編寫(xiě)的源代碼或目標(biāo)代碼，所述編程語(yǔ)言包括面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言一諸如

Smalltalk、C++等，以及常規(guī)的過(guò)程式編程語(yǔ)言一諸如“C”語(yǔ)言或類(lèi)似的編程語(yǔ)言。所述計(jì)

算機(jī)程序可以完全地在用戶(hù)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行、部分地在用戶(hù)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行、作為一個(gè)獨(dú)立的