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一种高效利用云中心 量子计算机资源的方法

阅读：947发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种高效利用云中心量子计算机资源的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明特别涉及一种高效利用云中心量子计算机资源的方法。该高效利用云中心量子计算机资源的方法，量子云中心为量子计算应用程序创建任务，经过测试、模拟、仿真、评估及优化程序，进入物理量子计算机执行程序队列，等待执行；量子云中心综合执行相似量子计算应用程序产生的历史数据，选择复用结果，由量子云中心动态选择程序加载到物理量子计算机，提高量子计算机的使用效率。该高效利用云中心量子计算机资源的方法，不仅可以更加合理高效的分配资源，提高了物理量子计算机的使用效率，还能通过持续训练优化量子程序任务选择模型和评估模型，持续提高量子计算应用程序选择的合理性，进而提升物理量子计算机的运行效率。，下面是一种高效利用云中心量子计算机资源的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于：将云中心聚集的量子计算机计算资源进行云化管理，结合经典计算机构成的云中心，形成量子云中心；量子云中心提供量子计算机程序编程框架以及量子计算机模拟器云环境，为量子计算应用程序创建任务，经过测试、模拟、仿真、评估及优化程序，进入物理量子计算机执行程序队列，等待执行；
量子云中心综合执行相似量子计算应用程序产生的历史数据，选择复用结果，并根据量子计算应用程序的评估结果进入等待队列进行排队，由量子云中心动态选择程序加载到物理量子计算机，提高量子计算机的使用效率。
2.根据权利要求1所述的高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于：所述量子云中心动态选择程序加载到物理量子计算机中进行执行；整个执行过程产生的数据将汇集到量子云中心，实时监控物理量子计算机运行的异常情况并及时进行处理，运行数据保存到量子云中心的存储中，作为未来量子计算应用程序选择的依据。
3.根据权利要求1所述的高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于：所述物理量子计算机通过信号采集系统，模拟数字转换及量子测控系统模块实现量子计算应用程序的执行，并提供查询服务，将执行过程中的状态及执行结果反馈给量子云中心。
4.根据权利要求3所述的高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于：所述物理量子计算机可以采用超导量子计算机，离子阱量子计算机，量子点量子计算机，量子光学量子计算机和拓扑量子计算机中的任意实现形式。
5.根据权利要求1所述的高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于：所述量子云中心由物理量子计算机以及经典计算机架构的云中心构成，通过经典计算机架构的云基础设施为量子计算应用程序的执行提供服务支撑，包含量子编程框架、量子计算应用程序解释器、量子计算应用程序编译器、量子计算应用程序模拟器、量子计算应用程序仿真环境、量子计算应用程序优化服务、量子计算应用程序评估服务、量子计算应用程序选择服务、量子计算应用程序运行监控服务和大数据分析。
6.根据权利要求5所述的高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于：所述量子计算应用程序是在量子编程框架下编写的程序，通过量子计算应用程序解释器和量子计算应用程序编译器进行模拟仿真环境下编译；在量子计算应用程序模拟器环境中运行原型算法，并进行评估和优化；评估和优化后进入执行排队序列，由量子云中心综合执行量子计算应用程序的历史数据，选择合适的量子计算应用程序；所述大数据分析是针对量子计算程序运行过程的数据进行分析，从而持续优化量子计算应用程序选择模型。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101量子云中心获取物理量子计算机的基本信息；
步骤102、量子云中心与物理量子计算机保持网络连接，实时获取物理量子计算机的资源利用情况、运行情况以及量子程序的执行状态；
步骤103、将量子计算应用程序上传到量子云中心，并提出执行量子计算应用程序申请，包含原型程序、完整程序、测试用例及实际输入数据；
步骤104、量子云中心为量子计算应用程序创建任务；
步骤105、量子云中心，通过量子计算编程框架，将量子计算应用程序进行编译，检查程序正确性；
步骤106、量子云中心根据以往执行量子程序的历史数据，检测该量子计算应用程序及其实际输入数据是否已经被执行过；如果以前执行过，转到步骤107，否则，转到步骤108；
步骤107、如果该量子计算应用程序以前执行过，量子云中心直接返回历史执行结果给开发者，询问是否仍然执行；如果开发者决定执行，转到步骤108；否则，任务完成；
步骤108、量子计算云中心将编译后的原型程序进行优化，根据程序任务要求，选择量子计算模拟器环境，设置时间及资源阈值，进行模拟运行；
步骤109、量子计算云中心根据模拟运行的结果进行优化，选择仿真环境，设置时间及资源阈值；
步骤110、量子计算云中心进行程序运行仿真，并将运行结果进行评估，进行程序优化；
步骤111、量子计算云中心根据历史数据对原型程序运行状况进行判断，评估原型程序所消耗的资源及运行时间；
步骤112、量子计算云中心估算完整程序在物理量子计算机上所消耗的资源和运行时间，并根据估算的完整程序所消耗的资源和运行时间，结合历史数据，设置物理量子计算机的程序执行估算资源及时间；
步骤113、量子计算云中心根据设置的物理量子计算机的程序执行估算资源及时间，增加程序的死锁判断，优化程序；
步骤114、量子计算云中心将优化后的程序及其对应的任务，加入到物理量子计算机程序执行排队列表；
步骤115、量子计算云中心根据历史执行数据，在程序执行排队列表中动态选择任务，加载到空闲的物理量子计算机中进行执行；
步骤116、物理量子计算机执行程序完成后将结果反回给量子云中心进行输出；
步骤117、量子云中心将本次任务涉及的数据进行保存，并将结果反馈给开发者；
步骤118、量子云中心基于收集的模拟、仿真及实际执行量子计算应用程序的相关数据，持续训练优化量子计算应用程序任务选择模型和评估模型。
8.根据权利要求7所述的高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于：所述步骤112中，如果量子计算应用程序的完整程序在模拟仿真环境下所消耗的资源及运行时间低于所设置的阈值，则直接使用完整程序进行模拟仿真完成评估，设置物理量子计算机的程序执行估算资源及时间。

说明书全文

一种高效利用云中心 量子计算机资源的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及云计算和量子计算技术领域，特别涉及一种高效利用云中心量子计算机资源的方法。

背景技术

[0002] 近年来，量子计算技术发展迅速，对于量子计算机的研究为信息技术的发展开辟了新的途径，量子计算机(Quantum Computer)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。量子计算机使用量子算法来进行数据操作，在进行运算时，可以同时计算2的N次方的数学运算，相当于经典计算机要重复2的N次方的计算，量子计算机可以超越现在最好的经典超级计算机，几乎所有的基础问题已经在理论上得到了解决。

[0003] 量子计算机的作用还远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题，与经典计算机相比，量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上，理论上来看已经远超目前世界上最快的超级计算机。通用量子计算机一旦实现，将对通信安全、导航、成像以及人工智能、生物制药、新材料研发等诸多领域产生颠覆性影响，带来国家安全和社会经济发展的极大变革。

[0004] 目前，实现量子计算机的途径主要有5种方法，分别是超导、离子阱、量子点、量子光学和拓扑量子计算，可能还会有其他形式。未来量子云中心会共存多种不同实现方式、不同规格的量子计算机，统一对外提供量子云服务，其中每一种实现方法都需要大量的高精度物理设备，其造价也非常昂贵。在这种情况下，如何有效结合经典计算机云中心的各类云服务，高效可靠的使用云中心的量子计算机成为亟须解决的问题。

[0005] 基于此，本发明提出了一种高效利用云中心量子计算机资源的方法。

发明内容

[0006] 本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种简单高效的高效利用云中心量子计算机资源的方法。

[0007] 本发明是通过如下技术方案实现的：

[0008] 一种高效利用云中心量子计算机资源的方法，其特征在于：将云中心聚集的量子计算机计算资源进行云化管理，结合经典计算机构成的云中心，形成量子云中心；量子云中心提供量子计算机程序编程框架以及量子计算机模拟器云环境，为量子计算应用程序创建任务，经过测试、模拟、仿真、评估及优化程序，进入物理量子计算机执行程序队列，等待执行；量子云中心综合执行相似量子计算应用程序产生的历史数据，选择复用结果，并根据量子计算应用程序的评估结果进入等待队列进行排队，由量子云中心动态选择程序加载到物理量子计算机，提高量子计算机的使用效率。

[0009] 所述量子云中心动态选择程序加载到物理量子计算机中进行执行；整个执行过程产生的数据将汇集到量子云中心，实时监控物理量子计算机运行的异常情况并及时进行处理，运行数据保存到量子云中心的存储中，作为未来量子计算应用程序选择的依据。

[0010] 所述物理量子计算机通过信号采集系统，模拟数字转换及量子测控系统模块实现量子计算应用程序的执行，并提供查询服务，将执行过程中的状态及执行结果反馈给量子云中心。

[0011] 所述物理量子计算机可以采用超导量子计算机，离子阱量子计算机，量子点量子计算机，量子光学量子计算机和拓扑量子计算机中的任意实现形式。

[0012] 所述量子云中心由物理量子计算机以及经典计算机架构的云中心构成，通过经典计算机架构的云基础设施为量子计算应用程序的执行提供服务支撑，包含量子编程框架、量子计算应用程序解释器、量子计算应用程序编译器、量子计算应用程序模拟器、量子计算应用程序仿真环境、量子计算应用程序优化服务、量子计算应用程序评估服务、量子计算应用程序选择服务、量子计算应用程序运行监控服务和大数据分析。

[0013] 所述量子计算应用程序是在量子编程框架下编写的程序，通过量子计算应用程序解释器和量子计算应用程序编译器进行模拟仿真环境下编译；在量子计算应用程序模拟器环境中运行原型算法，并进行评估和优化；评估和优化后进入执行排队序列，由量子云中心综合执行量子计算应用程序的历史数据，选择合适的量子计算应用程序；所述大数据分析是针对量子计算程序运行过程的数据进行分析，从而持续优化量子计算应用程序选择模型。

[0014] 本发明高效利用云中心量子计算机资源的方法，包括以下步骤：

[0015] 步骤101量子云中心获取物理量子计算机的基本信息；

[0016] 步骤102、量子云中心与物理量子计算机保持网络连接，实时获取物理量子计算机的资源利用情况、运行情况以及量子程序的执行状态；

[0017] 步骤103、将量子计算应用程序上传到量子云中心，并提出执行量子计算应用程序申请，包含原型程序、完整程序、测试用例及实际输入数据；

[0018] 步骤104、量子云中心为量子计算应用程序创建任务；

[0019] 步骤105、量子云中心，通过量子计算编程框架，将量子计算应用程序进行编译，检查程序正确性；

[0020] 步骤106、量子云中心根据以往执行量子程序的历史数据，检测该量子计算应用程序及其实际输入数据是否已经被执行过；如果以前执行过，转到步骤107，否则，转到步骤108；

[0021] 步骤107、如果该量子计算应用程序以前执行过，量子云中心直接返回历史执行结果给开发者，询问是否仍然执行；如果开发者决定执行，转到步骤108；否则，任务完成；

[0022] 步骤108、量子计算云中心将编译后的原型程序进行优化，根据程序任务要求，选择量子计算模拟器环境，设置时间及资源阈值，进行模拟运行；

[0023] 步骤109、量子计算云中心根据模拟运行的结果进行优化，选择仿真环境，设置时间及资源阈值；

[0024] 步骤110、量子计算云中心进行程序运行仿真，并将运行结果进行评估，进行程序优化；

[0025] 步骤111、量子计算云中心根据历史数据对原型程序运行状况进行判断，评估原型程序所消耗的资源及运行时间；

[0026] 步骤112、量子计算云中心估算完整程序在物理量子计算机上所消耗的资源和运行时间，并根据估算的完整程序所消耗的资源和运行时间，结合历史数据，设置物理量子计算机的程序执行估算资源及时间；

[0027] 步骤113、量子计算云中心根据设置的物理量子计算机的程序执行估算资源及时间，增加程序的死锁判断，优化程序；

[0028] 步骤114、量子计算云中心将优化后的程序及其对应的任务，加入到物理量子计算机程序执行排队列表；

[0029] 步骤115、量子计算云中心根据历史执行数据，在程序执行排队列表中动态选择任务，加载到空闲的物理量子计算机中进行执行；

[0030] 步骤116、物理量子计算机执行程序完成后将结果反回给量子云中心进行输出；

[0031] 步骤117、量子云中心将本次任务涉及的数据进行保存，并将结果反馈给开发者；

[0032] 步骤118、量子云中心基于收集的模拟、仿真及实际执行量子计算应用程序的相关数据，持续训练优化量子计算应用程序任务选择模型和评估模型。

[0033] 所述步骤112中，如果量子计算应用程序的完整程序在模拟仿真环境下所消耗的资源及运行时间低于所设置的阈值，则直接使用完整程序进行模拟仿真完成评估，设置物理量子计算机的程序执行估算资源及时间。

[0034] 本发明的有益效果是：该高效利用云中心量子计算机资源的方法，不仅可以更加合理高效的分配资源，提高了物理量子计算机的使用效率，还能通过持续训练优化量子程序任务选择模型和评估模型，持续提高量子计算应用程序选择的合理性，进而提升物理量子计算机的运行效率。附图说明

[0035] 附图1为本发明带有量子云中心示意图。

[0036] 附图2为本发明高效利用云中心量子计算机资源的方法示意图。

具体实施方式

[0037] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0038] 该高效利用云中心量子计算机资源的方法，将云中心聚集的量子计算机计算资源进行云化管理，结合经典计算机构成的云中心，形成量子云中心；量子云中心提供量子计算机程序编程框架以及量子计算机模拟器云环境，为量子计算应用程序创建任务，经过测试、模拟、仿真、评估及优化程序，进入物理量子计算机执行程序队列，等待执行；量子云中心综合执行相似量子计算应用程序产生的历史数据，选择复用结果，并根据量子计算应用程序的评估结果进入等待队列进行排队，由量子云中心动态选择程序加载到物理量子计算机，提高量子计算机的使用效率。

[0039] 所述量子云中心动态选择程序加载到物理量子计算机中进行执行；整个执行过程产生的数据将汇集到量子云中心，实时监控物理量子计算机运行的异常情况并及时进行处理，运行数据保存到量子云中心的存储中，作为未来量子计算应用程序选择的依据。

[0040] 所述物理量子计算机通过信号采集系统，模拟数字转换及量子测控系统模块实现量子计算应用程序的执行，并提供查询服务，将执行过程中的状态及执行结果反馈给量子云中心。

[0041] 所述物理量子计算机可以采用超导量子计算机，离子阱量子计算机，量子点量子计算机，量子光学量子计算机和拓扑量子计算机中的任意实现形式。

[0042] 所述量子云中心由物理量子计算机以及经典计算机架构的云中心构成，通过经典计算机架构的云基础设施为量子计算应用程序的执行提供服务支撑，包含量子编程框架、量子计算应用程序解释器、量子计算应用程序编译器、量子计算应用程序模拟器、量子计算应用程序仿真环境、量子计算应用程序优化服务、量子计算应用程序评估服务、量子计算应用程序选择服务、量子计算应用程序运行监控服务和大数据分析。

[0043] 所述量子计算应用程序是在量子编程框架下编写的程序，通过量子计算应用程序解释器和量子计算应用程序编译器进行模拟仿真环境下编译；在量子计算应用程序模拟器环境中运行原型算法，并进行评估和优化；评估和优化后进入执行排队序列，由量子云中心综合执行量子计算应用程序的历史数据，选择合适的量子计算应用程序；所述大数据分析是针对量子计算程序运行过程的数据进行分析，从而持续优化量子计算应用程序选择模型。

[0044] 该高效利用云中心量子计算机资源的方法，包括以下步骤：

[0045] 步骤101量子云中心获取物理量子计算机的基本信息；

[0046] 步骤102、量子云中心与物理量子计算机保持网络连接，实时获取物理量子计算机的资源利用情况、运行情况以及量子程序的执行状态；

[0047] 步骤103、将量子计算应用程序上传到量子云中心，并提出执行量子计算应用程序申请，包含原型程序、完整程序、测试用例及实际输入数据；

[0048] 步骤104、量子云中心为量子计算应用程序创建任务；

[0049] 步骤105、量子云中心，通过量子计算编程框架，将量子计算应用程序进行编译，检查程序正确性；

[0050] 步骤106、量子云中心根据以往执行量子程序的历史数据，检测该量子计算应用程序及其实际输入数据是否已经被执行过；如果以前执行过，转到步骤107，否则，转到步骤108；

[0051] 步骤107、如果该量子计算应用程序以前执行过，量子云中心直接返回历史执行结果给开发者，询问是否仍然执行；如果开发者决定执行，转到步骤108；否则，任务完成；

[0052] 步骤108、量子计算云中心将编译后的原型程序进行优化，根据程序任务要求，选择量子计算模拟器环境，设置时间及资源阈值，进行模拟运行；

[0053] 步骤109、量子计算云中心根据模拟运行的结果进行优化，选择仿真环境，设置时间及资源阈值；

[0054] 步骤110、量子计算云中心进行程序运行仿真，并将运行结果进行评估，进行程序优化；

[0055] 步骤111、量子计算云中心根据历史数据对原型程序运行状况进行判断，评估原型程序所消耗的资源及运行时间；

[0056] 步骤112、量子计算云中心估算完整程序在物理量子计算机上所消耗的资源和运行时间，并根据估算的完整程序所消耗的资源和运行时间，结合历史数据，设置物理量子计算机的程序执行估算资源及时间；

[0057] 步骤113、量子计算云中心根据设置的物理量子计算机的程序执行估算资源及时间，增加程序的死锁判断，优化程序；

[0058] 步骤114、量子计算云中心将优化后的程序及其对应的任务，加入到物理量子计算机程序执行排队列表；

[0059] 步骤115、量子计算云中心根据历史执行数据，在程序执行排队列表中动态选择任务，加载到空闲的物理量子计算机中进行执行；

[0060] 步骤116、物理量子计算机执行程序完成后将结果反回给量子云中心进行输出；

[0061] 步骤117、量子云中心将本次任务涉及的数据进行保存，并将结果反馈给开发者。

[0062] 步骤118、量子云中心基于收集的模拟、仿真及实际执行量子计算应用程序的相关数据，持续训练优化量子计算应用程序任务选择模型和评估模型。

[0063] 所述步骤112中，如果量子计算应用程序的完整程序在模拟仿真环境下所消耗的资源及运行时间低于所设置的阈值，则直接使用完整程序进行模拟仿真完成评估，设置物理量子计算机的程序执行估算资源及时间。

[0064] 为了描述方便，以物理量子计算机采用低温超导的实现方式为例进行说明。实现低温超导量子计算机需要制冷系统，测控系统及量子编程框架。量子云中心提供的量子计算应用程序模拟器服务包含全振幅模拟和单振幅模拟的云服务，通过量子计算应用程序模拟器环境可以完成量子程序的模拟执行和评估；经典计算机构成的云中心提供计算、存储、网络等基础设施，完成量子计算程序执行的生命周期管理。本领域技术人员将理解的是，除了使用以上低温超导量子计算机之外，根据本发明的实施方式的构造也能够应用于其他方法之上。

[0065] 该高效利用云中心量子计算机资源的方法，充分考虑量子计算机的资源稀缺性，在物理量子计算机上执行量子计算应用程序之前，增加基于经典计算机架构的云中心的各种测试、模拟、仿真、评估及优化流程，保证了量子程序的正确性；同时，结合执行相似量子计算应用程序产生的历史数据，复用其计算结果，减少重复执行程序带来的资源浪费；根据量子计算应用程序的评估结果，对程序进行优化，增加死锁检测，避免了物理量子计算机上的执行错误；而且，通过量子程序执行任务的等待队列排队，能够减少物理量子计算机的空闲时间，由量子云中心动态选择程序加载到物理量子计算机，可以更加合理高效的分配资源，提高量子计算机的使用效率；除此以外，整个执行过程产生的数据将汇集到云中心，实时监控量子计算机运行的异常情况并及时进行处理，相关数据将保存到量子云中心的存储中，通过大数据分析，持续训练优化量子程序任务选择模型和评估模型，持续提高量子计算应用程序选择的合理性，进而提升了运行效率。

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