(19)國家知識產權局

(12)發明專利申請

(10)申請公布號CN115705498A

(43)申請公布日2023.02.17

(21)申請號202110929047.6

(22)申請日2021.08.13

(71)申請人合肥本源量子計算科技有限責任公

司

地址230088安徽省合肥市合肥市高新區

創新大道2800號創新產業園二期E2樓

六層

(72)發明人竇猛漢汪文濤趙東一方圓

(51)Int.CI.

G06N10/20(2022.01)

G06F9/48(2006.01)

權利要求書2頁說明書11頁附圖3頁

(54)發明名稱

量子計算機操作系統以及量子計算機

(57)摘要

本發明公開了一種量子計算機操作系統以

及量子計算機，所述量子計算機操作系統包括量

子計算任務接收模塊、量子計算任務優先級處理

模塊、量子計算任務合并模塊、量子芯片資源分

配服務模塊以及量子計算任務調度與映射模塊,

其中，量子計算任務優先級處理模塊將量子計算

任務隊列中的量子計算任務按照量子計算任務

的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計

算任務隊列中等待的時間劃分各自的優先級,在

量子芯片資源無法滿足所有任務同時執行時，通

過將優先級高的量子計算任務優先執行,提高了

量:子計算機操作系統

量子芯片中量子比特的利用率，有效減少了量子

計算任務隊列中量子計算任務的總體等待時間。

8

6

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CN115705498A權利要求書1/2頁

1.一種量子計算機操作系統，其特征在于，包括：

量子計算任務接收模塊,其被配置為接收量子計算任務隊列，其中，所述量子計算任務

隊列包括多個量子計算任務；

量子計算任務優先級處理模塊，其被配置為基于量子計算任務的深度、所需量子比特

數量以及已在所述量子計算任務隊列中等待的時間，獲取所述量子計算任務隊列中各個量

子計算任務各自的優先級，其中，優先級高的量子計算任務先執行；

量子計算任務合并模塊，其被配置為將所述量子計算任務隊列中按照優先級從高到低

的順序將若干個量子計算任務合并為一個整體量子計算任務,并更新所述量子計算任務隊

列；

量子芯片資源分配服務模塊，其被配置為基于更新后的量子計算任務隊列利用社區發

現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撲結構，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算任務的量子比特；

量子計算任務調度與映射模塊，其被配置為基于更新后的量子計算任務隊列調度待執

行的量子計算任務,并將待執行的量子計算任務按照優先級從高到低的順序依次映射到所

述量子比特拓撲結構中。

2.如權利要求1所述的量子計算機操作系統，其特征在于，所述量子計算任務優先級處

理模塊包括：

量子計算任務狀態獲取單元，其被配置為獲取量子計算任務隊列中每個量子計算任務

的深度、所需的量子比特數量以及在所述量子計算任務隊列中等待的時間；

量子計算任務優先級獲取單元，其被配置為獲取每個量子計算任務的優先級，每個量

子計算任務的優先級為R,R=(W+l)/(n*d)/為量子計算任務的在所述量子計算任務隊列

中等待的時間,n為量子計算任務需要的量子比特數量,d為量子計算任務的深度。

3.如權利要求1所述的量子計算機操作系統，其特征在于，所述符合要求包括:所述量

子比特拓撲結構中的量子比特數量等于當前待執行的量子計算任務所需的量子比特數量,

所述量子比特拓撲結構的緊密程度、所述量子比特拓撲結構中所有量子比特的讀取保真

度、所述量子比特拓撲結構中執行兩比特量子邏輯門的可靠性參數以及所述量子比特拓撲

結構中饋線的數量均符合預先設置的閾值。

4.如權利要求1所述的量子計算機操作系統，其特征在于，還包括：

相干時間獲取與判斷模塊，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

時間，判斷各所述空閑量子比特的相干時間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根據當

前待處理的量子計算任務的執行時間確定；

量子芯片資源判別模塊，其被配置為在判斷結果為否時，將相應的量子比特設置為不

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

子比特拓撲結構中。

5.一種量子計算機中量子計算任務的處理方法，其特征在于，包括：

接收量子計算任務隊列，其中，所述量子計算任務隊列包括多個量子計算任務；

基于量子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計算任務隊列中等待

的時間，獲取所述量子計算任務隊列中各個量子計算任務各自的優先級，其中，優先級高的

量子計算任務先執行；

2

CN115705498A權利要求書2/2頁

將所述量子計算任務隊列中按照優先級從高到低的順序將若干個量子計算任務合并

為一個整體量子計算任務，并更新所述量子計算任務隊列；

基于更新后的量子計算任務隊列利用社區發現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撲結構，其中，所述空閑量子比特為所述量子芯片中

未被分配量子計算任務的量子比特；

基于更新后的量子計算任務隊列調度待執行的量子計算任務，并將待執行的量子計算

任務按照優先級從高到低的順序依次映射到所述量子比特拓撲結構中。

6.如權利要求5所述的量子計算機中量子計算任務的處理方法，其特征在于，所述基于

量子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計算任務隊列中等待的時間，

獲取所述量子計算任務隊列中各個量子計算任務以各自的優先級,包括：

獲取量子計算任務隊列中每個量子計算任務的深度、所需的量子比特數量以及在所述

量子計算任務隊列中等待的時間；

獲取每個量子計算任務的優先級，每個量子計算任務的優先級為R,R=(W+l)/(n*d),W

為量子計算任務的在所述量子計算任務隊列中等待的時間，n為量子計算任務需要的量子

比特數量,d為量子計算任務的深度。

7.如權利要求5所述的量子計算機中量子計算任務的處理方法，其特征在于，所述符合

要求包括:所述量子比特拓撲結構中的量子比特數量等于當前待執行的量子計算任務所需

的量子比特數量，所述量子比特拓撲結構的緊密程度、所述量子比特拓撲結構中所有量子

比特的讀取保真度、所述量子比特拓撲結構中執行兩比特量子邏輯門的可靠性參數以及所

述量子比特拓撲結構中饋線的數量均符合預先設置的閾值。

8.如權利要求5所述的量子計算機中量子計算任務的處理方法，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間，判斷各所述空閑量子比特的相干

時間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根據當前待處理的量子計算任務的執行時間

確定；

在判斷結果為否時，將相應的量子比特設置為不可用量子比特，所述量子芯片資源配

置服務模塊不會將所述不可用量子比特劃分到所述量子比特拓撲結構中。

9.一種量子計算機，其特征在于，包括如權利要求1-4中任一項所述的量子計算機操作

系統。

10.一種可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被一處

理器執行時能實現權利要求5至8任一項所述的處理方法。

11.一種電子裝置，包括存儲器和處理器，其特征在于，所述存儲器中存儲有計算機程

序，所述處理器被設置為運行所述計算機程序以執行權利要求5至8任一項所述的處理方

法。

3

CN115705498A說明書1/11頁

量子計算機操作系統以及量子計算機

技術領域

[0001]本發明涉及量子計算領域，尤其是涉及一種量子計算機操作系統以及量子計算

機。

背景技術

[0002]量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子

信息的物理裝置。量子計算機的特點主要有運行速度較快、處置信息能力較強、應用范圍較

廣等。與一般計算機比較起來，信息處理量愈多,對于量子計算機實施運算也就愈加有利，

也就更能確保運算具備精準性。

[0003]操作系統對計算機的重要性不言而喻，對經典計算機如此，對還在初期發展中的

量子計算機技術更是如此。量子計算機操作系統決定了量子計算機的功能、計算效率、穩定

性，進而決定了量子計算機的實用程度。量子計算機操作系統是量子計算機中連接終端和

量子計算機的核心部件量子芯片的工具,量子計算機操作系統一方面接收用戶發送來的量

子計算任務，另一方面需要將這些量子計算任務映射到量子芯片中具體的量子比特拓撲結

構中以完成對這些量子計算任務的執行。現有技術中量子計算機操作系統的這種方案極大

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。

[0004]因此，如何提高量子芯片中量子比特的利用率成為本領域亟待解決的技術問題。

發明內容

[0005]本發明的目的在于提供一種量子計算機操作系統以及量子計算機,用于解決現有

技術中的量子計算機操作系統限制了量子芯片中量子比特的利用率的問題。

[0006]為了解決上述技術問題，本發明提出了一種量子計算機操作系統，包括：

[0007]量子計算任務接收模塊,其被配置為接收量子計算任務隊列，其中，所述量子計算

任務隊列包括多個量子計算任務；

[0008]量子計算任務優先級處理模塊，其被配置為基于量子計算任務的深度、所需量子

比特數量以及已在所述量子計算任務隊列中等待的時間，獲取所述量子計算任務隊列中各

個量子計算任務各自的優先級，其中，優先級高的量子計算任務先執行；

[0009]量子計算任務合并模塊,其被配置為將所述量子計算任務隊列中按照優先級從高

到低的順序將若干個量子計算任務合并為一個整體量子計算任務，并更新所述量子計算任

務隊列；

[0010]量子芯片資源分配服務模塊，其被配置為基于更新后的量子計算任務隊列利用社

區發現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撲結構,

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算任務的量子比特；

[0011]量子計算任務調度與映射模塊,其被配置為基于更新后的量子計算任務隊列調度

待執行的量子計算任務，并將待執行的量子計算任務按照優先級從高到低的順序依次映射

到所述量子比特拓撲結構中。

4

CN115705498A說明書2/11頁

[0012]可選地，所述量子計算任務優先級處理模塊包括：

[0013]量子計算任務狀態獲取單元，其被配置為獲取量子計算任務隊列中每個量子計算

任務的深度、所需的量子比特數量以及在所述量子計算任務隊列中等待的時間；

[0014]量子計算任務優先級獲取單元，其被配置為獲取每個量子計算任務的優先級，每

個量子計算任務的優先級為R，R=(W+l)/(n*d),W為量子計算任務的在所述量子計算任務

隊列中等待的時間,n為量子計算任務需要的量子比特數量,d為量子計算任務的深度。

[0015]可選地，所述符合要求包括:所述量子比特拓撲結構中的量子比特數量等于當前

待執行的量子計算任務所需的量子比特數量，所述量子比特拓撲結構的緊密程度、所述量

子比特拓撲結構中所有量子比特的讀取保真度、所述量子比特拓撲結構中執行兩比特量子

邏輯門的可靠性參數以及所述量子比特拓撲結構中饋線的數量均符合預先設置的閾值。

[0016]可選地，還包括：

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

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

據當前待處理的量子計算任務的執行時間確定；

[0018]量子芯片資源判別模塊，其被配置為在判斷結果為否時，將相應的量子比特設置

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

述量子比特拓撲結構中。

[0019]基于同一發明構思，本發明還提出一種量子計算機中量子計算任務的處理方法，

包括：

[0020]接收量子計算任務隊列，其中，所述量子計算任務隊列包括多個量子計算任務；

[0021]基于量子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計算任務隊列中

等待的時間，獲取所述量子計算任務隊列中各個量子計算任務各自的優先級，其中，優先級

高的量子計算任務先執行；

[0022]將所述量子計算任務隊列中按照優先級從高到低的順序將若干個量子計算任務

合并為一個整體量子計算任務，并更新所述量子計算任務隊列；

[0023]基于更新后的量子計算任務隊列利用社區發現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撲結構，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算任務的量子比特；

[0024]基于更新后的量子計算任務隊列調度待執行的量子計算任務，并將待執行的量子

計算任務按照優先級從高到低的順序依次映射到所述量子比特拓撲結構中。

[0025]可選地，所述基于量子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計

算任務隊列中等待的時間，獲取所述量子計算任務隊列中各個量子計算任務以各自的優先

級，包括：

[0026]獲取量子計算任務隊列中每個量子計算任務的深度、所需的量子比特數量以及在

所述量子計算任務隊列中等待的時間；

[0027]獲取每個量子計算任務的優先級，每個量子計算任務的優先級為R,R=(W+l)/(n*

d),W為量子計算任務的在所述量子計算任務隊列中等待的時間，n為量子計算任務需要的

量子比特數量,d為量子計算任務的深度。

[0028]可選地，所述符合要求包括:所述量子比特拓撲結構中的量子比特數量等于當前

5

CN115705498A說明書3/11頁

待執行的量子計算任務所需的量子比特數量，所述量子比特拓撲結構的緊密程度、所述量

子比特拓撲結構中所有量子比特的讀取保真度、所述量子比特拓撲結構中執行兩比特量子

邏輯門的可靠性參數以及所述量子比特拓撲結構中饋線的數量均符合預先設置的閾值。

[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間，判斷各所述空閑量子比特的

相干時間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根據當前待處理的量子計算任務的執行

時間確定；

[0031]在判斷結果為否時，將相應的量子比特設置為不可用量子比特，所述量子芯片資

源配置服務模塊不會將所述不可用量子比特劃分到所述量子比特拓撲結構中。

[0032]基于同一發明構思，本發明還提出一種量子計算機,包括上述特征描述中任一項

所述的量子計算機操作系統。

[0033]基于同一發明構思，本發明還提出一種可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，所

述計算機程序被一處理器執行時能實現上述特征描述中任一項所述的處理方法。

[0034]基于同一發明構思，本發明還提出一種電子裝置,包括存儲器和處理器，所述存儲

器中存儲有計算機程序，所述處理器被設置為運行所述計算機程序以執行上述特征描述中

任一項所述的處理方法。

[0035]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

[0036]1、本發明提出的量子計算機操作系統，包括量子計算任務接收模塊、量子計算任

務優先級處理模塊、量子計算任務合并模塊、量子芯片資源分配服務模塊以及量子計算任

務調度與映射模塊，其中，量子計算任務優先級處理模塊將量子計算任務隊列中的量子計

算任務按照量子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計算任務隊列中等

待的時間劃分各自的優先級，在量子芯片資源無法滿足所有任務同時執行時，通過將優先

級高的量子計算任務優先執行，提高了量子芯片中量子比特的利用率，有效減少了量子計

算任務隊列中量子計算任務的總體等待時間。

[0037]2、由于兩個孤立的量子計算任務之間并不知道對方的執行時序，在映射過程中為

了避免串擾的發生,會盡可能將這兩個量子計算任務映射的量子比特拓撲結構在量子芯片

上間隔足夠遠。本申請中量子計算任務合并模塊可將若干個量子計算任務按照優先級從高

到低的順序合并為一個整體量子計算任務，由于合并之后，所述整體量子計算任務中各個

量子計算任務的時序是已知的，因此，在映射過程中可以充分利用這些時序,原本需要間隔

開映射的兩個量子計算任務可以映射在一個完整的拓撲結構中，進一步提高了量子芯片中

量子比特的利用率。

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

區發現算法和貪婪算法獲取符合要求的量子比特拓撲結構,利用了“從下往上”的思想對系

統的量子芯片集群中空閑量子比特數量符合要求的某一個量子芯片的空閑量子比特按照

待處理的量子計算任務的實際需求進行高質量實時動態分區,所獲得的所述量子比特拓撲

結構能與所述待處理的量子計算任務實現唯一匹配，無匹配等待時間且匹配度高,大大提

高了量子芯片的資源利用率的同時，也有效提高了程序等待隊列中的量子計算任務的執行

時效性;利用該方法能夠為程序等待隊列中的每個量子計算任務在系統的量子芯片集群中

某一滿足要求的量子芯片的空閑量子比特上快速找到各自最優的分區區域來執行映射。

6

CN115705498A說明書4/11頁

附圖說明

[0039]圖1為本實施例提出的一種量子計算機操作系統的結構示意圖；

[0040]圖2為利用所述量子計算任務合并模塊合并量子計算任務P1和P2后進行整體映射

的示意圖；

[0041]圖3為一種量子芯片的結構示意圖；

[0042]圖4為本實施例提出的一種量子計算機中量子計算任務的處理方法的流程示意

圖。

具體實施方式

[0043]下面將結合示意圖對本發明的具體實施方式進行更詳細的描述。根據下列描述和

權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均

使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

[0044]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的

方位或者位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系,僅是為了便于描述本發明和簡化描

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、以特定的方位構造和操作,

因此不能理解為對本發明的限制。

[0045]此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性

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

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

個，三個等,除非另有明確具體的限定。

[0046]請參考圖1,本發明實施例提出一種量子計算機操作系統，包括量子計算任務接收

模塊10、量子計算任務優先級處理模塊20、量子計算任務合并模塊30、量子芯片資源分配服

務模塊40以及量子計算任務調度與映射模塊50。

[0047]所述量子計算任務接收模塊10被配置為接收量子計算任務隊列，其中，所述量子

計算任務隊列包括多個量子計算任務。

[0048]本領域技術人員可以理解的是，所述量子計算任務通過用戶實時上傳，在本實施

例中，所述量子計算任務的上傳方式可為用戶在量子云平臺上提交相應的任務，隨著用戶

對量子計算領域的研究興趣日益濃厚，越來越多的量子計算任務將提交到量子云平臺。然

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

比特具有有限的相干時間和容易出錯的量子邏輯門，在量子云平臺的使用過程中隨著用戶

提交的量子計算任務不斷增多,將有一個量子計算任務隊列。一般情況下，量子計算任務對

量子芯片集群的量子比特數量的需求是大于量子芯片集群的處理能力的，如何調度量子計

算任務確保基于量子芯片集群充分利用的任務執行時需要研究的。

[0049]本申請通過獨特的量子計算任務調度優先級確定方式調度量子計算任務以確保

該效果，為了達到該效果，本申請中所述量子計算任務優先級處理模塊20被配置為基于量

子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計算任務隊列中等待的時間，獲

取所述量子計算任務隊列中各個量子計算任務各自的優先級，其中，優先級高的量子計算

任務先執行。

[0050]具體地，所有當前尚未處理的量子計算任務的優先級的值可以基于以下排序指標

7

CN115705498A說明書5/11頁

公式進行計算:R=(W+1)/S；其中，R為優先級的值,W為所述量子計算任務提交后在所述量

子計算任務隊列中的排隊等待時間，S為所述量子計算任務的大小，它可表示為S=n*d,其

中n為執行所述量子計算任務所需量子比特數量,d為所述量子計算任務的深度，所述深度

表征的是所述量子計算任務對應的量子線路的深度，也為量子線路的長度。

[0051]通過以上的量子計算任務調度優先級，不僅考慮了量子計算任務的等待時間，還

考慮基于量子比特數以及量子計算任務的深度的量子計算任務的大小，量子比特數以及量

子計算任務的深度的考量確保了量子芯片集群的充分利用，進而提高了量子計算任務隊列

的執行效率。

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

門為可同時執行的位于一個時序內的量子邏輯門，同一層量子邏輯門為可同時執行的同一

時序量子邏輯門。

[0053]另外，通過優先級的排序指標公式可知優先級存在以下規則：R越大，其所對應的

所述量子計算任務的優先級越高。因此,W能夠保證所述量子計算任務先到先得的原則；并

且在當排隊等待時間相近時,S越小的所述量子計算任務的優先級越高，這保證了最大化量

子資源利用率。針對S也相近的所述量子計算任務，其中，所需量子比特數量越小的所述量

子計算任務的優先級越高。因此在量子計算任務隊列中，具有最高R值的所述量子計算任務

即為具有最高優先級的量子計算任務。

[0054]按照前面的優先級規則,所述第一任務以及所述第二任務為所述量子計算任務隊

列中優先級最高的兩個量子計算任務。同樣地,所述量子計算任務調度模塊40可按照優先

級從高到低的順序依次調度所述若干個短任務。量子計算任務優先級處理模塊20將量子計

算任務隊列中的量子計算任務按照量子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述

量子計算任務隊列中等待的時間劃分各自的優先級，在量子芯片資源無法滿足所有任務同

時執行時，通過將優先級高的量子計算任務優先執行,提高了量子芯片中量子比特的利用

率，有效減少了量子計算任務隊列中量子計算任務的總體等待時間。

[0055]所述量子計算任務優先級處理模塊20包括量子計算任務狀態獲取單元以及量子

計算任務優先級獲取單元,所述量子計算任務狀態獲取單元被配置為獲取量子計算任務隊

列中每個量子計算任務的深度、所需的量子比特數量以及在所述量子計算任務隊列中等待

的時間。所述量子計算任務優先級獲取單元被配置為獲取每個量子計算任務的優先級，每

個量子計算任務的優先級為R，R=(W+l)/(n*d),W為量子計算任務的在所述量子計算任務

隊列中等待的時間,n為量子計算任務所需量子比特的數量,d為量子計算任務的深度。

[0056]發明人在實際應用中還發現，當兩個量子計算任務中均需要兩比特量子邏輯門參

與時，若將這兩個量子計算任務映射在比較靠近的兩個量子比特拓撲結構中時，不可避免

地會發生串擾影響，從而導致兩比特量子邏輯門的誤差率急劇增加。為了避免串擾的發生,

現有技術中量子計算機操作系統在映射兩個量子計算任務時，當這兩個量子計算任務中均

需要兩比特量子邏輯門參與時，會盡可能將這兩個量子計算任務映射的量子比特拓撲結構

在量子芯片上間隔足夠遠以減少串擾影響。現有技術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。

[0057]為了解決上述問題，本申請的量子計算機操作系統中設置有所述量子計算任務合

并模塊30,所述量子計算任務合并模塊30被配置為將所述量子計算任務隊列中按照優先級

8

CN115705498A說明書6/11頁

從高到低的順序將若干個量子計算任務合并為一個整體量子計算任務，并更新所述量子計

算任務隊列。本領域技術人員應當理解的是，為了便于理解本申請的技術方案，在本實施例

中均以合并兩個量子計算任務為例，其它更多數量的量子計算任務的合并均可由兩個量子

計算任務的合并過程推導得出。

[0058]由于兩個孤立的量子計算任務之間并不知道對方的執行時序，在映射過程中為了

避免串擾的發生，會盡可能將這兩個量子計算任務映射的量子比特拓撲結構在量子芯片上

間隔足夠遠。本申請中量子計算任務合并模塊30可將若干個量子計算任務按照優先級從高

到低的順序合并為一個整體量子計算任務，由于合并之后，所述整體量子計算任務中各個

量子計算任務的時序是已知的，因此，在映射過程中可以充分利用這些時序,原本需要間隔

開映射的兩個量子計算任務可以映射在一個完整的拓撲結構中，進一步提高了量子芯片中

量子比特的利用率。

[0059]另外，當兩個的量子計算任務相互獨立地映射到量子芯片上時，量子芯片中量子

比特間SWAP門操作的數量會顯著增加。請參考圖2,圖2為利用所述量子計算任務合并模塊

30合并量子計算任務P1和P2后進行整體映射的示意圖，圖2中Plallocation表示一個量子

計算任務P1的映射分區，P2allocation表示另一個與P1量子計算任務的映射分區相鄰的

量子計算任務P2的映射分區，兩個映射分區分別分配在兩個虛線框中。qi和qj是P1量子計

算任務對應的可執行的量子線路中需要立即執行兩比特量子邏輯門的量子比特，它們都處

于已映射但未執行的狀態。

[0060]在量子計算任務P1的映射分區中，qi和qj之間具有其他三個具有連接關系的量子

比特，在qi和qj的執行過程中需要借助這三個量子比特作為路由進行SWAP門逐層轉換操

作，因此qi和qj的執行需要三個路由。然而，由于任意兩個具有直接連接關系的量子比特的

門操作均存在誤差，也即通過三個路由執行的qi和qj之間的門操作誤差會累積增大，這在

一定程度上降低了量子計算任務P1的保真度。而通過觀察圖2中該量子芯片的拓撲結構可

知，在量子計算任務P2的映射分區中存在著一個量子比特qn分別與量子比特qi和qj具有連

接關系。如果將量子計算任務P1和量子計算任務P2進行合并，那么量子比特qi和qj執行兩

比特量子邏輯門時的交換操作可能會走捷徑。將量子計算任務P1和量子計算任務P2合并

后，量子計算任務P1和量子計算任務P2的所有量子比特將會共享經過合并后的映射分區，

此時量子比特qi和qj會選擇通過比量子計算任務P1映射區域內部交換路徑更短的交換路

徑來執行兩比特量子邏輯門，即量子比特qi和qj會選擇存在于量子計算任務P2的映射區域

中的與兩者具有直接連接的量子比特qn進行SWAP門操作，從而通過一個路由和一次SWAP門

操作就實現了量子比特qi和qj間兩比特量子邏輯門的操作。這樣可有效降低門操作誤差，

在一定程度上提高了量子計算任務的保真度。

[0061]通過上述分析可知，利用本申請的量子計算任務合并模塊30合并兩個量子計算任

務后，再進行整體映射有助于減少SWAP門開銷，還可以充分利用強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門成本，并減少多個并發的量子計算任務之間的

干擾和改進整體保真度。

[0062]進一步地，由于量子芯片的量子比特是脆弱的，極易受到噪聲的干擾，當兩個量子

計算任務中均需要兩比特量子邏輯門參與時，若將這兩個量子計算任務映射在比較靠近的

兩個量子比特拓撲結構中時，不可避免地會發生串擾影響，這也將導致兩比特量子邏輯門

9

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的操作誤差急劇增加，一定程度上也嚴重影響了量子計算任務的保真度。并且在兩個量子

計算任務的最佳映射分區中，一些受串擾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，降低了量子比特資源的利用率。在利用本申請中的量子計

算任務合并模塊30后，由于合并后，所述整體量子計算任務中各個量子計算任務的時序是

已知的，在映射過程中可利用時序有效避免串擾影響的發生，請參考圖3,圖3為一種量子芯

片的示意圖，假設有量子計算任務，分別為第一量子計算任務和第二量子計算任務，其中，

第一量子計算任務需要9個量子比特，第二量子計算任務需要7個量子比特。在經所述量子

計算任務合并模塊30合并后映射到圖3的量子芯片中，其中，第一量子計算任務映射區域為

、12?13?14?22?23?24?32?33以及（534，第二量子計算任務映射區域為露5?25?35?42?43、

Q44以及Q45,若在第一量子計算任務和第二量子計算任務的執行時序中，存在某一時刻需要

均執行兩比特量子邏輯門，那么在映射時將用于執行這個兩個量子邏輯門的四個比特在各

自的映射區域中間隔開，例如，可以考慮在第一量子計算任務的執行區域中選擇Q/Q13、來

執行兩比特量子邏輯門，在第二量子計算任務的執行區域中選擇Q44以及Q45來執行兩比特

量子邏輯門，利用這種方式可有在映射時就有效避免串擾的發生。需要注意的是，上述芯片

結構以及量子計算任務執行區域的劃分僅是為了便于理解本申請的方案而進行的例舉，不

能視為對本申請的任何限制，本領域技術人員應當理解的是，以上示例中想要表達的是這

樣一種如何有效規避串擾發生的方案。還有很多其它的示例,在此不一一贅述。

[0063]量子計算機操作系統在將若干個量子計算任務合并成所述整體量子計算任務后，

需要根據所述整體量子計算任務所需的量子比特數量在量子芯片中分配相應的拓撲結構,

在現有技術中，量子計算機操作系統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可執行的量子線路塊（也即量子比特拓撲結構），然后根據待運行的

量子計算任務中量子比特數量從中選取可用的可執行的量子線路塊來執行映射，可用的可

執行量子線路塊的量子比特數量與待運行的量子程序中量子比特數量相同。然而隨著量子

計算機操作系統中量子計算需求的不斷增加，需要處理的量子計算任務的數量將不斷增

多，并且各量子計算任務所需的量子比特數量差異化較大，利用該種可執行的量子線路塊

來進行待運行量子計算任務的映射會存在可執行的量子線路塊分割不合理、查找與待運行

量子計算任務相匹配的可執行的量子線路塊的處理時間長，使得量子芯片的量子比特資源

利用率低、量子計算任務運行等待時間長以及程序運行時效性低的問題，導致用戶體驗感

差。

[0064]為了解決這一問題，本實施例提出的量子計算機操作系統中所述量子芯片資源分

配服務模塊40被配置為基于更新后的量子計算任務隊列利用社區發現算法和貪婪算法在

量子芯片的空閑量子比特中獲取符合要求的量子比特拓撲結構，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算任務的量子比特。

[0065]通過所述社區發現算法和所述貪婪算法可以獲取獎勵函數，由于所述獎勵函數的

值通過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

存在直接連接關系的量子比特間執行兩比特量子邏輯門操作的可靠性參數以及饋線的數

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

任意兩個存在直接連接關系的量子比特間執行兩比特量子邏輯門操作的可靠性參數以及

饋線的數量均在所述預設范圍內的量子比特設置為所述量子比特拓撲結構。本領域技術人

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員可以理解的是，所述獎勵函數的值是否符合要求可以根據所述量子比特拓撲結構的質量

要求進行確定，在此不做限制。

[0066]所述獎勵函數為：

1

[0067]F=Qm-Q。+3EU+/?-

Lt

[0068]其中，F為所述獎勵函數的值,Q.為加入一個其它量子比特后所述量子比特拓撲結

構的緊密程度,Q。為加入一個其它量子比特前所述量子比特拓撲結構的緊密程度。E為加入

一個其它量子比特后所述量子比特拓撲結構中任意兩個存在直接連接關系的量子比特間

執行兩比特量子邏輯門操作的保真度的平均值,所述兩個存在直接連接關系的量子比特間

執行兩比特量子邏輯門操作的保真度即為兩個存在直接連接關系的量子比特之間的鏈路

的可靠性。V為加入一個其它量子比特后所述量子比特拓撲結構中所有量子比特的讀取保

真度的平均值。3邛為預先配置的權重系數，為一經驗常數。L為加入一個其它量子比特后

所述量子比特拓撲結構中饋線的總數。本領域技術人員可以理解的是，對于一種特定的量

子芯片集群，可以利用合適的川、B來調整某一量子芯片中所述量子比特拓撲結構的物理拓

撲、兩比特量子邏輯門的操作錯誤率和饋線結構的權重，使得所述獎勵函數的值最大化。示

例性的，如果所述獎勵函數的計算公式的第三項很大,表明合并后所得社區結構會覆蓋一

些饋線，需要盡可能填滿這些饋線。

[0069]需要說明的是，所述獎勵函數利用所述社區發現算法和所述貪婪算法獲取,其中，

所述社區發現(communitydetection)算法是用來發現網絡結構中的社區結構，屬于一種聚

類算法，這些被劃分的社區結構是一個子圖,包括頂點和邊，同一社區內的頂點之間的連接

緊密，而社區與社區之間的連接相對稀疏。選用模塊度(Modularity)作為評價一個社區結

構的劃分好壞的度量指標,所述模塊度是社區結構內部邊的度數減去社區結構內頂點的總

度數，它的計算公式為

[0070]Q=Z(嶺-(翼尸)

[0071]其中，Q為一個社區結構C的模塊度,模塊度Q的值越高，表明社區結構C的劃分越合

適,m為社區結構C的總邊數,Ic為社區結構C中所有內部邊的條數,De為社區結構C中所有頂

點的度之和。

[0072]量子程序通過使用兩比特量子邏輯門來制造糾纏，且兩比特量子邏輯門只能在量

子芯片上耦合的兩個物理量子比特之間執行。因此，執行單個量子計算任務所需的量子芯

片上的量子比特應當緊密分配，不同的量子計算任務之間應避免串擾等相互干擾。所述量

子比特拓撲結構相當于是量子芯片上空閑的物理量子比特聚集的社區結構，因此，所述量

子比特拓撲結構的緊密程度可以利用所述社區發現算法的模塊度Q計算公式獲取，其

中量子芯片的網格結構中的每個量子比特相當于社區結構的頂點，兩個量子比特之間的鏈

路相當于社區結構的邊。

[0073]所述貪婪算法的思想為將量子芯片的某個空閑量子比特作為一個社區結構，不斷

地將該量子比特附近的空閑量子比特與該社區結構合并形成一個新的社區結構，使得所述

獎勵函數的值最大化，直到得到一個最終的社區結構包含了所述量子計算任務所需要的量

子比特數量，所述最終的社區結構即為所求的所述量子比特拓撲結構。

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[0074]進一步地，由于量子芯片中每個量子比特的相干時間有限且是不同的，其中，相干

時間越大的量子比特的可靠性越好。如果一個量子計算任務所在的所述量子比特拓撲結構

中存在相干時間較短的量子比特，那么所述量子計算任務的保真度將受到很大影響。量子

比特的退相干誤差相對于量子程序的長度呈指數增長。因此，量子計算任務應該要在相干

時間比自身執行時間長的量子比特上執行，在獲取所述量子比特拓撲結構之前，需要將相

干時間相對于量子計算任務的執行時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，所述量子計算機操作系統還包括相干時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

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

閾值根據當前待處理的量子計算任務的執行時間確定。所述量子芯片資源判別模塊被配置

為在判斷結果為否時，將相應的量子比特設置為不可用量子比特，所述量子芯片資源分配

服務模塊40不會將所述不可用量子比特劃分到所述量子比特拓撲結構中。

[0076]在找到所述量子比特拓撲結構后，所述量子計算任務調度與映射模塊基于更新后

的量子計算任務隊列調度待執行的量子計算任務，并將待執行的量子計算任務按照優先級

從高到低的順序依次映射到所述量子比特拓撲結構中。到此，所述量子計算機操作系統完

成了對量子計算任務的處理過程,后續則是在量子芯片中進行執行相應量子計算任務的執

行過程。

[0077]請參考圖4,基于同一發明構思,本實施例還提出一種量子計算機中量子計算任務

的處理方法,包括：

[0078]S1：接收量子計算任務隊歹!],其中，所述量子計算任務隊列包括多個量子計算任

務；

[0079]S2：基于量子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計算任務隊

列中等待的時間，獲取所述量子計算任務隊列中各個量子計算任務各自的優先級，其中，優

先級高的量子計算任務先執行；

[0080]S3：將所述量子計算任務隊列中按照優先級從高到低的順序將若干個量子計算任

務合并為一個整體量子計算任務，并更新所述量子計算任務隊列；

[0081]S4：基于更新后的量子計算任務隊列利用社區發現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撲結構，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算任務的量子比特；

[0082]S5：基于更新后的量子計算任務隊列調度待執行的量子計算任務，并將待執行的

量子計算任務按照優先級從高到低的順序依次映射到所述量子比特拓撲結構中。

[0083]可選地，所述基于量子計算任務的深度、所需量子比特數量以及已在所述量子計

算任務隊列中等待的時間，獲取所述量子計算任務隊列中各個量子計算任務以各自的優先

級，包括：

[0084]獲取量子計算任務隊列中每個量子計算任務的深度、所需的量子比特數量以及在

所述量子計算任務隊列中等待的時間；

[0085]獲取每個量子計算任務的優先級，每個量子計算任務的優先級為R,R=(W+l)/(n*

d)/為量子計算任務的在所述量子計算任務隊列中等待的時間，n為量子計算任務需要的

量子比特數量,d為量子計算任務的深度。

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[0086]可選地，所述符合要求包括:所述量子比特拓撲結構中的量子比特數量等于當前

待執行的量子計算任務所需的量子比特數量，所述量子比特拓撲結構的緊密程度、所述量

子比特拓撲結構中所有量子比特的讀取保真度、所述量子比特拓撲結構中執行兩比特量子

邏輯門的可靠性參數以及所述量子比特拓撲結構中饋線的數量均符合預先設置的閾值。

[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間，判斷各所述空閑量子比特的

相干時間是否大于第一閾值，其中，所述第一閾值根據當前待處理的量子計算任務的執行

時間確定；

[0089]在判斷結果為否時，將相應的量子比特設置為不可用量子比特，所述量子芯片資

源配置服務模塊不會將所述不可用量子比特劃分到所述量子比特拓撲結構中。

[0090]基于同一發明構思，本實施例還提出一種量子計算機，包括上述特征描述中任一

項所述的量子計算機操作系統。

[0091]基于同一發明構思,本實施例還提出一種可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序,

所述計算機程序被一處理器執行時能實現上述特征描述中任一項所述的處理方法。

[0092]所述可讀存儲介質可以是可以保持和存儲由指令執行設備使用的指令的有形設

備，例如可以是但不限于電存儲設備、磁存儲設備、光存儲設備、電磁存儲設備、半導體存儲

設備或者上述的任意合適的組合。可讀存儲介質的更具體的例子(非窮舉的列表)包括:便

攜式計算機盤、硬盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可擦式可編程只讀存儲器

(EPROM或閃存)、靜態隨機存取存儲器(SRAM)、便攜式壓縮盤只讀存儲器(CD-ROM)、數字多

功能盤(DVD)、記憶棒、軟盤、機械編碼設備、例如其上存儲有指令的打孔卡或凹槽內凸起結

構、以及上述的任意合適的組合。這里所描述的計算機程序可以從可讀存儲介質下載到各

個計算/處理設備，或者通過網絡、例如因特網、局域網、廣域網和/或無線網下載到外部計

算機或外部存儲設備。網絡可以包括銅傳輸電纜、光纖傳輸、無線傳輸、路由器、防火墻、交

換機、網關計算機和/或邊緣服務器。每個計算/處理設備中的網絡適配卡或者網絡接口從

網絡接收所述計算機程序，并轉發該計算機程序，以供存儲在各個計算/處理設備中的可讀

存儲介質中。用于執行本發明操作的計算機程序可以是匯編指令、指令集架構(ISA)指令、

機器指令、機器相關指令、微代碼、固件指令、狀態設置數據、或者以一種或多種編程語言的

任意組合編寫的源代碼或目標代碼，所述編程語言包括面向對象的編程語言一諸如

Smalltalk、C++等，以及常規的過程式編程語言一諸如“C”語言或類似的編程語言。所述計

算機程序可以完全地在用戶計算機上執行、部分地在用戶計算機上執行、作為一個獨立的