量子计算机操作系统以及量子计算机

(19)国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号CN115705498A

(43)申请公布日2023.02.17

(21)申请号202110929047.6

(22)申请日2021.08.13

(71)申请人合肥本源量子计算科技有限责任公

司

地址230088安徽省合肥市合肥市高新区

创新大道2800号创新产业园二期E2楼

六层

(72)发明人窦猛汉汪文涛赵东一方圆

(51)Int.CI.

G06N10/20(2022.01)

G06F9/48(2006.01)

权利要求书2页说明书11页附图3页

(54)发明名称

量子计算机操作系统以及量子计算机

(57)摘要

本发明公开了一种量子计算机操作系统以

及量子计算机，所述量子计算机操作系统包括量

子计算任务接收模块、量子计算任务优先级处理

模块、量子计算任务合并模块、量子芯片资源分

配服务模块以及量子计算任务调度与映射模块,

其中，量子计算任务优先级处理模块将量子计算

任务队列中的量子计算任务按照量子计算任务

的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计

算任务队列中等待的时间划分各自的优先级,在

量子芯片资源无法满足所有任务同时执行时，通

过将优先级高的量子计算任务优先执行,提高了

量:子计算机操作系统

量子芯片中量子比特的利用率，有效减少了量子

计算任务队列中量子计算任务的总体等待时间。

8

6

g寸

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Is

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CN115705498A权利要求书1/2页

1.一种量子计算机操作系统，其特征在于，包括：

量子计算任务接收模块,其被配置为接收量子计算任务队列，其中，所述量子计算任务

队列包括多个量子计算任务；

量子计算任务优先级处理模块，其被配置为基于量子计算任务的深度、所需量子比特

数量以及已在所述量子计算任务队列中等待的时间，获取所述量子计算任务队列中各个量

子计算任务各自的优先级，其中，优先级高的量子计算任务先执行；

量子计算任务合并模块，其被配置为将所述量子计算任务队列中按照优先级从高到低

的顺序将若干个量子计算任务合并为一个整体量子计算任务,并更新所述量子计算任务队

列；

量子芯片资源分配服务模块，其被配置为基于更新后的量子计算任务队列利用社区发

现算法和贪婪算法在量子芯片的空闲量子比特中获取符合要求的量子比特拓扑结构，其

中，所述空闲量子比特为所述量子芯片中未被分配量子计算任务的量子比特；

量子计算任务调度与映射模块，其被配置为基于更新后的量子计算任务队列调度待执

行的量子计算任务,并将待执行的量子计算任务按照优先级从高到低的顺序依次映射到所

述量子比特拓扑结构中。

2.如权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述量子计算任务优先级处

理模块包括：

量子计算任务状态获取单元，其被配置为获取量子计算任务队列中每个量子计算任务

的深度、所需的量子比特数量以及在所述量子计算任务队列中等待的时间；

量子计算任务优先级获取单元，其被配置为获取每个量子计算任务的优先级，每个量

子计算任务的优先级为R,R=(W+l)/(n*d)/为量子计算任务的在所述量子计算任务队列

中等待的时间,n为量子计算任务需要的量子比特数量,d为量子计算任务的深度。

3.如权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，所述符合要求包括:所述量

子比特拓扑结构中的量子比特数量等于当前待执行的量子计算任务所需的量子比特数量,

所述量子比特拓扑结构的紧密程度、所述量子比特拓扑结构中所有量子比特的读取保真

度、所述量子比特拓扑结构中执行两比特量子逻辑门的可靠性参数以及所述量子比特拓扑

结构中馈线的数量均符合预先设置的阈值。

4.如权利要求1所述的量子计算机操作系统，其特征在于，还包括：

相干时间获取与判断模块，其被配置为获取所述量子芯片中所述空闲量子比特的相干

时间，判断各所述空闲量子比特的相干时间是否大于第一阈值，其中，所述第一阈值根据当

前待处理的量子计算任务的执行时间确定；

量子芯片资源判别模块，其被配置为在判断结果为否时，将相应的量子比特设置为不

可用量子比特，所述量子芯片资源分配服务模块不会将所述不可用量子比特划分到所述量

子比特拓扑结构中。

5.一种量子计算机中量子计算任务的处理方法，其特征在于，包括：

接收量子计算任务队列，其中，所述量子计算任务队列包括多个量子计算任务；

基于量子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计算任务队列中等待

的时间，获取所述量子计算任务队列中各个量子计算任务各自的优先级，其中，优先级高的

量子计算任务先执行；

2

CN115705498A权利要求书2/2页

将所述量子计算任务队列中按照优先级从高到低的顺序将若干个量子计算任务合并

为一个整体量子计算任务，并更新所述量子计算任务队列；

基于更新后的量子计算任务队列利用社区发现算法和贪婪算法在量子芯片的空闲量

子比特中获取符合要求的量子比特拓扑结构，其中，所述空闲量子比特为所述量子芯片中

未被分配量子计算任务的量子比特；

基于更新后的量子计算任务队列调度待执行的量子计算任务，并将待执行的量子计算

任务按照优先级从高到低的顺序依次映射到所述量子比特拓扑结构中。

6.如权利要求5所述的量子计算机中量子计算任务的处理方法，其特征在于，所述基于

量子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计算任务队列中等待的时间，

获取所述量子计算任务队列中各个量子计算任务以各自的优先级,包括：

获取量子计算任务队列中每个量子计算任务的深度、所需的量子比特数量以及在所述

量子计算任务队列中等待的时间；

获取每个量子计算任务的优先级，每个量子计算任务的优先级为R,R=(W+l)/(n*d),W

为量子计算任务的在所述量子计算任务队列中等待的时间，n为量子计算任务需要的量子

比特数量,d为量子计算任务的深度。

7.如权利要求5所述的量子计算机中量子计算任务的处理方法，其特征在于，所述符合

要求包括:所述量子比特拓扑结构中的量子比特数量等于当前待执行的量子计算任务所需

的量子比特数量，所述量子比特拓扑结构的紧密程度、所述量子比特拓扑结构中所有量子

比特的读取保真度、所述量子比特拓扑结构中执行两比特量子逻辑门的可靠性参数以及所

述量子比特拓扑结构中馈线的数量均符合预先设置的阈值。

8.如权利要求5所述的量子计算机中量子计算任务的处理方法，其特征在于，所述处理

方法还包括：

获取所述量子芯片中所述空闲量子比特的相干时间，判断各所述空闲量子比特的相干

时间是否大于第一阈值，其中，所述第一阈值根据当前待处理的量子计算任务的执行时间

确定；

在判断结果为否时，将相应的量子比特设置为不可用量子比特，所述量子芯片资源配

置服务模块不会将所述不可用量子比特划分到所述量子比特拓扑结构中。

9.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求1-4中任一项所述的量子计算机操作

系统。

10.一种可读存储介质，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5至8任一项所述的处理方法。

11.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程

序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求5至8任一项所述的处理方

法。

3

CN115705498A说明书1/11页

量子计算机操作系统以及量子计算机

技术领域

[0001]本发明涉及量子计算领域，尤其是涉及一种量子计算机操作系统以及量子计算

机。

背景技术

[0002]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。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较

广等。与一般计算机比较起来，信息处理量愈多,对于量子计算机实施运算也就愈加有利，

也就更能确保运算具备精准性。

[0003]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功能、计算效率、稳定

性，进而决定了量子计算机的实用程度。量子计算机操作系统是量子计算机中连接终端和

量子计算机的核心部件量子芯片的工具,量子计算机操作系统一方面接收用户发送来的量

子计算任务，另一方面需要将这些量子计算任务映射到量子芯片中具体的量子比特拓扑结

构中以完成对这些量子计算任务的执行。现有技术中量子计算机操作系统的这种方案极大

地限制了量子芯片中量子比特的利用率，造成了量子芯片资源的浪费。

[0004]因此，如何提高量子芯片中量子比特的利用率成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

[0005]本发明的目的在于提供一种量子计算机操作系统以及量子计算机,用于解决现有

技术中的量子计算机操作系统限制了量子芯片中量子比特的利用率的问题。

[0006]为了解决上述技术问题，本发明提出了一种量子计算机操作系统，包括：

[0007]量子计算任务接收模块,其被配置为接收量子计算任务队列，其中，所述量子计算

任务队列包括多个量子计算任务；

[0008]量子计算任务优先级处理模块，其被配置为基于量子计算任务的深度、所需量子

比特数量以及已在所述量子计算任务队列中等待的时间，获取所述量子计算任务队列中各

个量子计算任务各自的优先级，其中，优先级高的量子计算任务先执行；

[0009]量子计算任务合并模块,其被配置为将所述量子计算任务队列中按照优先级从高

到低的顺序将若干个量子计算任务合并为一个整体量子计算任务，并更新所述量子计算任

务队列；

[0010]量子芯片资源分配服务模块，其被配置为基于更新后的量子计算任务队列利用社

区发现算法和贪婪算法在量子芯片的空闲量子比特中获取符合要求的量子比特拓扑结构,

其中，所述空闲量子比特为所述量子芯片中未被分配量子计算任务的量子比特；

[0011]量子计算任务调度与映射模块,其被配置为基于更新后的量子计算任务队列调度

待执行的量子计算任务，并将待执行的量子计算任务按照优先级从高到低的顺序依次映射

到所述量子比特拓扑结构中。

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CN115705498A说明书2/11页

[0012]可选地，所述量子计算任务优先级处理模块包括：

[0013]量子计算任务状态获取单元，其被配置为获取量子计算任务队列中每个量子计算

任务的深度、所需的量子比特数量以及在所述量子计算任务队列中等待的时间；

[0014]量子计算任务优先级获取单元，其被配置为获取每个量子计算任务的优先级，每

个量子计算任务的优先级为R，R=(W+l)/(n*d),W为量子计算任务的在所述量子计算任务

队列中等待的时间,n为量子计算任务需要的量子比特数量,d为量子计算任务的深度。

[0015]可选地，所述符合要求包括:所述量子比特拓扑结构中的量子比特数量等于当前

待执行的量子计算任务所需的量子比特数量，所述量子比特拓扑结构的紧密程度、所述量

子比特拓扑结构中所有量子比特的读取保真度、所述量子比特拓扑结构中执行两比特量子

逻辑门的可靠性参数以及所述量子比特拓扑结构中馈线的数量均符合预先设置的阈值。

[0016]可选地，还包括：

[0017]相干时间获取与判断模块，其被配置为获取所述量子芯片中所述空闲量子比特的

相干时间，判断各所述空闲量子比特的相干时间是否大于第一阈值，其中，所述第一阈值根

据当前待处理的量子计算任务的执行时间确定；

[0018]量子芯片资源判别模块，其被配置为在判断结果为否时，将相应的量子比特设置

为不可用量子比特,所述量子芯片资源分配服务模块不会将所述不可用量子比特划分到所

述量子比特拓扑结构中。

[0019]基于同一发明构思，本发明还提出一种量子计算机中量子计算任务的处理方法，

包括：

[0020]接收量子计算任务队列，其中，所述量子计算任务队列包括多个量子计算任务；

[0021]基于量子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计算任务队列中

等待的时间，获取所述量子计算任务队列中各个量子计算任务各自的优先级，其中，优先级

高的量子计算任务先执行；

[0022]将所述量子计算任务队列中按照优先级从高到低的顺序将若干个量子计算任务

合并为一个整体量子计算任务，并更新所述量子计算任务队列；

[0023]基于更新后的量子计算任务队列利用社区发现算法和贪婪算法在量子芯片的空

闲量子比特中获取符合要求的量子比特拓扑结构，其中，所述空闲量子比特为所述量子芯

片中未被分配量子计算任务的量子比特；

[0024]基于更新后的量子计算任务队列调度待执行的量子计算任务，并将待执行的量子

计算任务按照优先级从高到低的顺序依次映射到所述量子比特拓扑结构中。

[0025]可选地，所述基于量子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计

算任务队列中等待的时间，获取所述量子计算任务队列中各个量子计算任务以各自的优先

级，包括：

[0026]获取量子计算任务队列中每个量子计算任务的深度、所需的量子比特数量以及在

所述量子计算任务队列中等待的时间；

[0027]获取每个量子计算任务的优先级，每个量子计算任务的优先级为R,R=(W+l)/(n*

d),W为量子计算任务的在所述量子计算任务队列中等待的时间，n为量子计算任务需要的

量子比特数量,d为量子计算任务的深度。

[0028]可选地，所述符合要求包括:所述量子比特拓扑结构中的量子比特数量等于当前

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CN115705498A说明书3/11页

待执行的量子计算任务所需的量子比特数量，所述量子比特拓扑结构的紧密程度、所述量

子比特拓扑结构中所有量子比特的读取保真度、所述量子比特拓扑结构中执行两比特量子

逻辑门的可靠性参数以及所述量子比特拓扑结构中馈线的数量均符合预先设置的阈值。

[0029]可选地，所述处理方法还包括：

[0030]获取所述量子芯片中所述空闲量子比特的相干时间，判断各所述空闲量子比特的

相干时间是否大于第一阈值，其中，所述第一阈值根据当前待处理的量子计算任务的执行

时间确定；

[0031]在判断结果为否时，将相应的量子比特设置为不可用量子比特，所述量子芯片资

源配置服务模块不会将所述不可用量子比特划分到所述量子比特拓扑结构中。

[0032]基于同一发明构思，本发明还提出一种量子计算机,包括上述特征描述中任一项

所述的量子计算机操作系统。

[0033]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上述特征描述中任一项所述的处理方法。

[0034]基于同一发明构思，本发明还提出一种电子装置,包括存储器和处理器，所述存储

器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述特征描述中

任一项所述的处理方法。

[0035]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0036]1、本发明提出的量子计算机操作系统，包括量子计算任务接收模块、量子计算任

务优先级处理模块、量子计算任务合并模块、量子芯片资源分配服务模块以及量子计算任

务调度与映射模块，其中，量子计算任务优先级处理模块将量子计算任务队列中的量子计

算任务按照量子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计算任务队列中等

待的时间划分各自的优先级，在量子芯片资源无法满足所有任务同时执行时，通过将优先

级高的量子计算任务优先执行，提高了量子芯片中量子比特的利用率，有效减少了量子计

算任务队列中量子计算任务的总体等待时间。

[0037]2、由于两个孤立的量子计算任务之间并不知道对方的执行时序，在映射过程中为

了避免串扰的发生,会尽可能将这两个量子计算任务映射的量子比特拓扑结构在量子芯片

上间隔足够远。本申请中量子计算任务合并模块可将若干个量子计算任务按照优先级从高

到低的顺序合并为一个整体量子计算任务，由于合并之后，所述整体量子计算任务中各个

量子计算任务的时序是已知的，因此，在映射过程中可以充分利用这些时序,原本需要间隔

开映射的两个量子计算任务可以映射在一个完整的拓扑结构中，进一步提高了量子芯片中

量子比特的利用率。

[0038]3、本申请中的量子芯片资源分配服务模块在量子芯片的空闲量子比特中利用社

区发现算法和贪婪算法获取符合要求的量子比特拓扑结构,利用了“从下往上”的思想对系

统的量子芯片集群中空闲量子比特数量符合要求的某一个量子芯片的空闲量子比特按照

待处理的量子计算任务的实际需求进行高质量实时动态分区,所获得的所述量子比特拓扑

结构能与所述待处理的量子计算任务实现唯一匹配，无匹配等待时间且匹配度高,大大提

高了量子芯片的资源利用率的同时，也有效提高了程序等待队列中的量子计算任务的执行

时效性;利用该方法能够为程序等待队列中的每个量子计算任务在系统的量子芯片集群中

某一满足要求的量子芯片的空闲量子比特上快速找到各自最优的分区区域来执行映射。

6

CN115705498A说明书4/11页

附图说明

[0039]图1为本实施例提出的一种量子计算机操作系统的结构示意图；

[0040]图2为利用所述量子计算任务合并模块合并量子计算任务P1和P2后进行整体映射

的示意图；

[0041]图3为一种量子芯片的结构示意图；

[0042]图4为本实施例提出的一种量子计算机中量子计算任务的处理方法的流程示意

图。

具体实施方式

[0043]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。

[0044]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。

[0045]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。

[0046]请参考图1,本发明实施例提出一种量子计算机操作系统，包括量子计算任务接收

模块10、量子计算任务优先级处理模块20、量子计算任务合并模块30、量子芯片资源分配服

务模块40以及量子计算任务调度与映射模块50。

[0047]所述量子计算任务接收模块10被配置为接收量子计算任务队列，其中，所述量子

计算任务队列包括多个量子计算任务。

[0048]本领域技术人员可以理解的是，所述量子计算任务通过用户实时上传，在本实施

例中，所述量子计算任务的上传方式可为用户在量子云平台上提交相应的任务，随着用户

对量子计算领域的研究兴趣日益浓厚，越来越多的量子计算任务将提交到量子云平台。然

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

比特具有有限的相干时间和容易出错的量子逻辑门，在量子云平台的使用过程中随着用户

提交的量子计算任务不断增多,将有一个量子计算任务队列。一般情况下，量子计算任务对

量子芯片集群的量子比特数量的需求是大于量子芯片集群的处理能力的，如何调度量子计

算任务确保基于量子芯片集群充分利用的任务执行时需要研究的。

[0049]本申请通过独特的量子计算任务调度优先级确定方式调度量子计算任务以确保

该效果，为了达到该效果，本申请中所述量子计算任务优先级处理模块20被配置为基于量

子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计算任务队列中等待的时间，获

取所述量子计算任务队列中各个量子计算任务各自的优先级，其中，优先级高的量子计算

任务先执行。

[0050]具体地，所有当前尚未处理的量子计算任务的优先级的值可以基于以下排序指标

7

CN115705498A说明书5/11页

公式进行计算:R=(W+1)/S；其中，R为优先级的值,W为所述量子计算任务提交后在所述量

子计算任务队列中的排队等待时间，S为所述量子计算任务的大小，它可表示为S=n*d,其

中n为执行所述量子计算任务所需量子比特数量,d为所述量子计算任务的深度，所述深度

表征的是所述量子计算任务对应的量子线路的深度，也为量子线路的长度。

[0051]通过以上的量子计算任务调度优先级，不仅考虑了量子计算任务的等待时间，还

考虑基于量子比特数以及量子计算任务的深度的量子计算任务的大小，量子比特数以及量

子计算任务的深度的考量确保了量子芯片集群的充分利用，进而提高了量子计算任务队列

的执行效率。

[0052]可以理解的是,层为量子线路深度的单位，一层是指一个(层)时序,一层量子逻辑

门为可同时执行的位于一个时序内的量子逻辑门，同一层量子逻辑门为可同时执行的同一

时序量子逻辑门。

[0053]另外，通过优先级的排序指标公式可知优先级存在以下规则：R越大，其所对应的

所述量子计算任务的优先级越高。因此,W能够保证所述量子计算任务先到先得的原则；并

且在当排队等待时间相近时,S越小的所述量子计算任务的优先级越高，这保证了最大化量

子资源利用率。针对S也相近的所述量子计算任务，其中，所需量子比特数量越小的所述量

子计算任务的优先级越高。因此在量子计算任务队列中，具有最高R值的所述量子计算任务

即为具有最高优先级的量子计算任务。

[0054]按照前面的优先级规则,所述第一任务以及所述第二任务为所述量子计算任务队

列中优先级最高的两个量子计算任务。同样地,所述量子计算任务调度模块40可按照优先

级从高到低的顺序依次调度所述若干个短任务。量子计算任务优先级处理模块20将量子计

算任务队列中的量子计算任务按照量子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述

量子计算任务队列中等待的时间划分各自的优先级，在量子芯片资源无法满足所有任务同

时执行时，通过将优先级高的量子计算任务优先执行,提高了量子芯片中量子比特的利用

率，有效减少了量子计算任务队列中量子计算任务的总体等待时间。

[0055]所述量子计算任务优先级处理模块20包括量子计算任务状态获取单元以及量子

计算任务优先级获取单元,所述量子计算任务状态获取单元被配置为获取量子计算任务队

列中每个量子计算任务的深度、所需的量子比特数量以及在所述量子计算任务队列中等待

的时间。所述量子计算任务优先级获取单元被配置为获取每个量子计算任务的优先级，每

个量子计算任务的优先级为R，R=(W+l)/(n*d),W为量子计算任务的在所述量子计算任务

队列中等待的时间,n为量子计算任务所需量子比特的数量,d为量子计算任务的深度。

[0056]发明人在实际应用中还发现，当两个量子计算任务中均需要两比特量子逻辑门参

与时，若将这两个量子计算任务映射在比较靠近的两个量子比特拓扑结构中时，不可避免

地会发生串扰影响，从而导致两比特量子逻辑门的误差率急剧增加。为了避免串扰的发生,

现有技术中量子计算机操作系统在映射两个量子计算任务时，当这两个量子计算任务中均

需要两比特量子逻辑门参与时，会尽可能将这两个量子计算任务映射的量子比特拓扑结构

在量子芯片上间隔足够远以减少串扰影响。现有技术中这种方案极大地限制了量子芯片中

量子比特的利用率，造成了量子芯片资源的浪费。

[0057]为了解决上述问题，本申请的量子计算机操作系统中设置有所述量子计算任务合

并模块30,所述量子计算任务合并模块30被配置为将所述量子计算任务队列中按照优先级

8

CN115705498A说明书6/11页

从高到低的顺序将若干个量子计算任务合并为一个整体量子计算任务，并更新所述量子计

算任务队列。本领域技术人员应当理解的是，为了便于理解本申请的技术方案，在本实施例

中均以合并两个量子计算任务为例，其它更多数量的量子计算任务的合并均可由两个量子

计算任务的合并过程推导得出。

[0058]由于两个孤立的量子计算任务之间并不知道对方的执行时序，在映射过程中为了

避免串扰的发生，会尽可能将这两个量子计算任务映射的量子比特拓扑结构在量子芯片上

间隔足够远。本申请中量子计算任务合并模块30可将若干个量子计算任务按照优先级从高

到低的顺序合并为一个整体量子计算任务，由于合并之后，所述整体量子计算任务中各个

量子计算任务的时序是已知的，因此，在映射过程中可以充分利用这些时序,原本需要间隔

开映射的两个量子计算任务可以映射在一个完整的拓扑结构中，进一步提高了量子芯片中

量子比特的利用率。

[0059]另外，当两个的量子计算任务相互独立地映射到量子芯片上时，量子芯片中量子

比特间SWAP门操作的数量会显著增加。请参考图2,图2为利用所述量子计算任务合并模块

30合并量子计算任务P1和P2后进行整体映射的示意图，图2中Plallocation表示一个量子

计算任务P1的映射分区，P2allocation表示另一个与P1量子计算任务的映射分区相邻的

量子计算任务P2的映射分区，两个映射分区分别分配在两个虚线框中。qi和qj是P1量子计

算任务对应的可执行的量子线路中需要立即执行两比特量子逻辑门的量子比特，它们都处

于已映射但未执行的状态。

[0060]在量子计算任务P1的映射分区中，qi和qj之间具有其他三个具有连接关系的量子

比特，在qi和qj的执行过程中需要借助这三个量子比特作为路由进行SWAP门逐层转换操

作，因此qi和qj的执行需要三个路由。然而，由于任意两个具有直接连接关系的量子比特的

门操作均存在误差，也即通过三个路由执行的qi和qj之间的门操作误差会累积增大，这在

一定程度上降低了量子计算任务P1的保真度。而通过观察图2中该量子芯片的拓扑结构可

知，在量子计算任务P2的映射分区中存在着一个量子比特qn分别与量子比特qi和qj具有连

接关系。如果将量子计算任务P1和量子计算任务P2进行合并，那么量子比特qi和qj执行两

比特量子逻辑门时的交换操作可能会走捷径。将量子计算任务P1和量子计算任务P2合并

后，量子计算任务P1和量子计算任务P2的所有量子比特将会共享经过合并后的映射分区，

此时量子比特qi和qj会选择通过比量子计算任务P1映射区域内部交换路径更短的交换路

径来执行两比特量子逻辑门，即量子比特qi和qj会选择存在于量子计算任务P2的映射区域

中的与两者具有直接连接的量子比特qn进行SWAP门操作，从而通过一个路由和一次SWAP门

操作就实现了量子比特qi和qj间两比特量子逻辑门的操作。这样可有效降低门操作误差，

在一定程度上提高了量子计算任务的保真度。

[0061]通过上述分析可知，利用本申请的量子计算任务合并模块30合并两个量子计算任

务后，再进行整体映射有助于减少SWAP门开销，还可以充分利用强大的量子比特以及量子

芯片上的链接，从而降低映射期间的SWAP门成本，并减少多个并发的量子计算任务之间的

干扰和改进整体保真度。

[0062]进一步地，由于量子芯片的量子比特是脆弱的，极易受到噪声的干扰，当两个量子

计算任务中均需要两比特量子逻辑门参与时，若将这两个量子计算任务映射在比较靠近的

两个量子比特拓扑结构中时，不可避免地会发生串扰影响，这也将导致两比特量子逻辑门

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CN115705498A说明书7/11页

的操作误差急剧增加，一定程度上也严重影响了量子计算任务的保真度。并且在两个量子

计算任务的最佳映射分区中，一些受串扰影响的量子比特将不得不闲置，这在一定程度上

也造成了量子比特资源的浪费，降低了量子比特资源的利用率。在利用本申请中的量子计

算任务合并模块30后，由于合并后，所述整体量子计算任务中各个量子计算任务的时序是

已知的，在映射过程中可利用时序有效避免串扰影响的发生，请参考图3,图3为一种量子芯

片的示意图，假设有量子计算任务，分别为第一量子计算任务和第二量子计算任务，其中，

第一量子计算任务需要9个量子比特，第二量子计算任务需要7个量子比特。在经所述量子

计算任务合并模块30合并后映射到图3的量子芯片中，其中，第一量子计算任务映射区域为

、12«13«14«22«23«24«32«33以及（534，第二量子计算任务映射区域为露5«25«35«42«43、

Q44以及Q45,若在第一量子计算任务和第二量子计算任务的执行时序中，存在某一时刻需要

均执行两比特量子逻辑门，那么在映射时将用于执行这个两个量子逻辑门的四个比特在各

自的映射区域中间隔开，例如，可以考虑在第一量子计算任务的执行区域中选择Q/Q13、来

执行两比特量子逻辑门，在第二量子计算任务的执行区域中选择Q44以及Q45来执行两比特

量子逻辑门，利用这种方式可有在映射时就有效避免串扰的发生。需要注意的是，上述芯片

结构以及量子计算任务执行区域的划分仅是为了便于理解本申请的方案而进行的例举，不

能视为对本申请的任何限制，本领域技术人员应当理解的是，以上示例中想要表达的是这

样一种如何有效规避串扰发生的方案。还有很多其它的示例,在此不一一赘述。

[0063]量子计算机操作系统在将若干个量子计算任务合并成所述整体量子计算任务后，

需要根据所述整体量子计算任务所需的量子比特数量在量子芯片中分配相应的拓扑结构,

在现有技术中，量子计算机操作系统一般是先将量子芯片上的所有量子比特按照多层分割

处理方法分割成若干个可执行的量子线路块（也即量子比特拓扑结构），然后根据待运行的

量子计算任务中量子比特数量从中选取可用的可执行的量子线路块来执行映射，可用的可

执行量子线路块的量子比特数量与待运行的量子程序中量子比特数量相同。然而随着量子

计算机操作系统中量子计算需求的不断增加，需要处理的量子计算任务的数量将不断增

多，并且各量子计算任务所需的量子比特数量差异化较大，利用该种可执行的量子线路块

来进行待运行量子计算任务的映射会存在可执行的量子线路块分割不合理、查找与待运行

量子计算任务相匹配的可执行的量子线路块的处理时间长，使得量子芯片的量子比特资源

利用率低、量子计算任务运行等待时间长以及程序运行时效性低的问题，导致用户体验感

差。

[0064]为了解决这一问题，本实施例提出的量子计算机操作系统中所述量子芯片资源分

配服务模块40被配置为基于更新后的量子计算任务队列利用社区发现算法和贪婪算法在

量子芯片的空闲量子比特中获取符合要求的量子比特拓扑结构，其中，所述空闲量子比特

为所述量子芯片中未被分配量子计算任务的量子比特。

[0065]通过所述社区发现算法和所述贪婪算法可以获取奖励函数，由于所述奖励函数的

值通过一空闲量子比特附近量子比特的读取保真度、该量子比特附近量子比特中任意两个

存在直接连接关系的量子比特间执行两比特量子逻辑门操作的可靠性参数以及馈线的数

量确定。因此可以将该量子比特附近量子比特的读取保真度、该量子比特附近量子比特中

任意两个存在直接连接关系的量子比特间执行两比特量子逻辑门操作的可靠性参数以及

馈线的数量均在所述预设范围内的量子比特设置为所述量子比特拓扑结构。本领域技术人

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员可以理解的是，所述奖励函数的值是否符合要求可以根据所述量子比特拓扑结构的质量

要求进行确定，在此不做限制。

[0066]所述奖励函数为：

1

[0067]F=Qm-Q。+3EU+/?-

Lt

[0068]其中，F为所述奖励函数的值,Q.为加入一个其它量子比特后所述量子比特拓扑结

构的紧密程度,Q。为加入一个其它量子比特前所述量子比特拓扑结构的紧密程度。E为加入

一个其它量子比特后所述量子比特拓扑结构中任意两个存在直接连接关系的量子比特间

执行两比特量子逻辑门操作的保真度的平均值,所述两个存在直接连接关系的量子比特间

执行两比特量子逻辑门操作的保真度即为两个存在直接连接关系的量子比特之间的链路

的可靠性。V为加入一个其它量子比特后所述量子比特拓扑结构中所有量子比特的读取保

真度的平均值。3邛为预先配置的权重系数，为一经验常数。L为加入一个其它量子比特后

所述量子比特拓扑结构中馈线的总数。本领域技术人员可以理解的是，对于一种特定的量

子芯片集群，可以利用合适的川、B来调整某一量子芯片中所述量子比特拓扑结构的物理拓

扑、两比特量子逻辑门的操作错误率和馈线结构的权重，使得所述奖励函数的值最大化。示

例性的，如果所述奖励函数的计算公式的第三项很大,表明合并后所得社区结构会覆盖一

些馈线，需要尽可能填满这些馈线。

[0069]需要说明的是，所述奖励函数利用所述社区发现算法和所述贪婪算法获取,其中，

所述社区发现(communitydetection)算法是用来发现网络结构中的社区结构，属于一种聚

类算法，这些被划分的社区结构是一个子图,包括顶点和边，同一社区内的顶点之间的连接

紧密，而社区与社区之间的连接相对稀疏。选用模块度(Modularity)作为评价一个社区结

构的划分好坏的度量指标,所述模块度是社区结构内部边的度数减去社区结构内顶点的总

度数，它的计算公式为

[0070]Q=Z(岭-(翼尸)

[0071]其中，Q为一个社区结构C的模块度,模块度Q的值越高，表明社区结构C的划分越合

适,m为社区结构C的总边数,Ic为社区结构C中所有内部边的条数,De为社区结构C中所有顶

点的度之和。

[0072]量子程序通过使用两比特量子逻辑门来制造纠缠，且两比特量子逻辑门只能在量

子芯片上耦合的两个物理量子比特之间执行。因此，执行单个量子计算任务所需的量子芯

片上的量子比特应当紧密分配，不同的量子计算任务之间应避免串扰等相互干扰。所述量

子比特拓扑结构相当于是量子芯片上空闲的物理量子比特聚集的社区结构，因此，所述量

子比特拓扑结构的紧密程度可以利用所述社区发现算法的模块度Q计算公式获取，其

中量子芯片的网格结构中的每个量子比特相当于社区结构的顶点，两个量子比特之间的链

路相当于社区结构的边。

[0073]所述贪婪算法的思想为将量子芯片的某个空闲量子比特作为一个社区结构，不断

地将该量子比特附近的空闲量子比特与该社区结构合并形成一个新的社区结构，使得所述

奖励函数的值最大化，直到得到一个最终的社区结构包含了所述量子计算任务所需要的量

子比特数量，所述最终的社区结构即为所求的所述量子比特拓扑结构。

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[0074]进一步地，由于量子芯片中每个量子比特的相干时间有限且是不同的，其中，相干

时间越大的量子比特的可靠性越好。如果一个量子计算任务所在的所述量子比特拓扑结构

中存在相干时间较短的量子比特，那么所述量子计算任务的保真度将受到很大影响。量子

比特的退相干误差相对于量子程序的长度呈指数增长。因此，量子计算任务应该要在相干

时间比自身执行时间长的量子比特上执行，在获取所述量子比特拓扑结构之前，需要将相

干时间相对于量子计算任务的执行时间太短的量子比特排除在划分可用量子比特之外。

[0075]具体地，所述量子计算机操作系统还包括相干时间获取与判断模块以及量子芯片

资源判别模块，所述相干时间获取与判断模块被配置为获取所述量子芯片中所述空闲量子

比特的相干时间，判断各所述空闲量子比特的相干时间是否大于第一阈值，其中，所述第一

阈值根据当前待处理的量子计算任务的执行时间确定。所述量子芯片资源判别模块被配置

为在判断结果为否时，将相应的量子比特设置为不可用量子比特，所述量子芯片资源分配

服务模块40不会将所述不可用量子比特划分到所述量子比特拓扑结构中。

[0076]在找到所述量子比特拓扑结构后，所述量子计算任务调度与映射模块基于更新后

的量子计算任务队列调度待执行的量子计算任务，并将待执行的量子计算任务按照优先级

从高到低的顺序依次映射到所述量子比特拓扑结构中。到此，所述量子计算机操作系统完

成了对量子计算任务的处理过程,后续则是在量子芯片中进行执行相应量子计算任务的执

行过程。

[0077]请参考图4,基于同一发明构思,本实施例还提出一种量子计算机中量子计算任务

的处理方法,包括：

[0078]S1：接收量子计算任务队歹!],其中，所述量子计算任务队列包括多个量子计算任

务；

[0079]S2：基于量子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计算任务队

列中等待的时间，获取所述量子计算任务队列中各个量子计算任务各自的优先级，其中，优

先级高的量子计算任务先执行；

[0080]S3：将所述量子计算任务队列中按照优先级从高到低的顺序将若干个量子计算任

务合并为一个整体量子计算任务，并更新所述量子计算任务队列；

[0081]S4：基于更新后的量子计算任务队列利用社区发现算法和贪婪算法在量子芯片的

空闲量子比特中获取符合要求的量子比特拓扑结构，其中，所述空闲量子比特为所述量子

芯片中未被分配量子计算任务的量子比特；

[0082]S5：基于更新后的量子计算任务队列调度待执行的量子计算任务，并将待执行的

量子计算任务按照优先级从高到低的顺序依次映射到所述量子比特拓扑结构中。

[0083]可选地，所述基于量子计算任务的深度、所需量子比特数量以及已在所述量子计

算任务队列中等待的时间，获取所述量子计算任务队列中各个量子计算任务以各自的优先

级，包括：

[0084]获取量子计算任务队列中每个量子计算任务的深度、所需的量子比特数量以及在

所述量子计算任务队列中等待的时间；

[0085]获取每个量子计算任务的优先级，每个量子计算任务的优先级为R,R=(W+l)/(n*

d)/为量子计算任务的在所述量子计算任务队列中等待的时间，n为量子计算任务需要的

量子比特数量,d为量子计算任务的深度。

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[0086]可选地，所述符合要求包括:所述量子比特拓扑结构中的量子比特数量等于当前

待执行的量子计算任务所需的量子比特数量，所述量子比特拓扑结构的紧密程度、所述量

子比特拓扑结构中所有量子比特的读取保真度、所述量子比特拓扑结构中执行两比特量子

逻辑门的可靠性参数以及所述量子比特拓扑结构中馈线的数量均符合预先设置的阈值。

[0087]可选地，所述处理方法还包括：

[0088]获取所述量子芯片中所述空闲量子比特的相干时间，判断各所述空闲量子比特的

相干时间是否大于第一阈值，其中，所述第一阈值根据当前待处理的量子计算任务的执行

时间确定；

[0089]在判断结果为否时，将相应的量子比特设置为不可用量子比特，所述量子芯片资

源配置服务模块不会将所述不可用量子比特划分到所述量子比特拓扑结构中。

[0090]基于同一发明构思，本实施例还提出一种量子计算机，包括上述特征描述中任一

项所述的量子计算机操作系统。

[0091]基于同一发明构思,本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任一项所述的处理方法。

[0092]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一诸如

Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言一诸如“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