分时复用量子测控系统及低功耗高效率量子测控编译方法

1.本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种分时复用量子测控系统及低功耗高效率量子测控编译方法。


背景技术：

2.在当前量子芯片飞速发展的阶段，量子测控系统是量子计算机不可或缺的组成部分，负责完成对量子芯片的测量和控制。量子比特是操控和测量的对象。量子芯片运行时，需要根据量子算法需求，将脉冲信号组合输入量子芯片，最后对输入信号采集分析获得结果。
3.对于超导量子平台，量子测控系统主要由量子测控一体机(数据处理及控制模块、控制信号生成模块、微波信号测量模块)、测控线路(量子比特控制线路、量子比特测量信号线路)和关键器件组成。
4.目前多数研究团队使用商用仪器设备、计算机控制系统等搭建的平台作为测控系统平台，这类搭建的测控平台成本高昂、且功能冗余、兼容性差，难以集成。更关键的是，在实际应用中量子测控系统的功耗不可忽略。然而已有量子测控系统多采用控制单元和量子比特比值为1:1的方式实现对量子芯片的控制，在量子程序执行过程中，该控制方式使得量子线路测控系统中控制单元存在空闲状态，开销较大，造成资源的浪费。


技术实现要素：

5.针对现有量子测控系统存在开销大、效率低的问题，本发明提出一种分时复用量子测控系统和一种低功耗高效率量子测控编译方法，基于分时复用原理，使用较少的测控资源实现较多的量子比特测控。
6.一方面，本发明提供一种分时复用量子测控系统，通过分时复用的方式，采用m个控制通道来控制n个量子比特；其中，每个控制通道均连接至所有的量子比特；m≤n，m和n均为正整数，m≥2。
7.另一方面，本发明提供一种低功耗高效率量子测控编译方法，应用于分时复用量子测控系统，所述方法包括以下步骤：
8.将每个量子比特看作经典计算机中寄存器的一个比特位，将控制通道看作经典计算机中的计算功能部件，将量子线路中的所有单门操作均看作经典计算机指令中的乘法指令，以及将量子线路中的所有双门操作均看作经典计算机指令中的异或指令；所述计算功能部件包括乘法计算功能部件和异或计算功能部件；
9.将量子指令的执行阶段看作经典计算机指令流水过程中的指令发射阶段和指令执行阶段；
10.采用记分牌算法记录量子比特和多个计算功能部件的状态变化信息，通过检测和减少数据的相关性，减少控制通道空闲。
11.进一步地，所述采用记分牌算法记录量子比特和多个计算功能部件的状态变化信
息，通过检测和减少数据的相关性，减少控制通道空闲，具体包括：
12.在指令发射阶段，依次检查发射窗口中的指令，若检查的当前指令对应的计算功能部件空闲，且所述当前指令所要使用的量子比特未被正在执行的指令占用，则发射该当前指令到其对应的计算功能部件，并更新记分牌中的各参数状态，并读取相应操作数，将所述当前指令所使用的量子比特打上操作标记。
13.进一步地，所述采用记分牌算法记录量子比特和多个计算功能部件的状态变化信息，通过检测和减少数据的相关性，减少控制通道空闲，具体还包括：
14.在指令执行阶段，计算功能部件对量子比特执行对应功能计算操作，当得到计算结果后，所述计算功能部件通知记分牌对应功能计算操作已执行完毕，以便在所述当前指令执行完毕后，将其对应的计算功能部件“清空”，将其所使用的量子比特“释放”，并更新记分牌。
15.本发明的有益效果：
16.本发明提出了一种控制通道和量子比特比值为m:n(m≤n)的分时复用量子测控系统，并针对控制通道和量子比特比值为m:n(m≤n)的分时复用量子测控系统，本发明通过分析量子指令执行过程和经典指令执行过程的异同之处，采用记分牌动态调度算法，在保证逻辑门时序正确的情况下，通过它来检测和减少数据相关性，充分利用控制通道，最大化并行执行效率，实现了一种低功耗高效率的量子测控编译方案。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的分时复用量子测控系统控制通道和量子比特连接示意图；
18.图2为本发明实施例提供的一种低功耗高效率量子测控编译方法的流程示意图；
19.图3为本发明实施例提供的计算功能部件所要处理的指令格式示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1所示，本发明实施例提供一种分时复用量子测控系统，通过分时复用的方式，采用m个控制通道来控制n个量子比特；其中，每个控制通道均连接至所有的量子比特；m≤n，m和n均为正整数，m≥2。
22.本发明提出的分时复用量子测控系统，目标是进一步提高利用效率，减少控制通道的数量和成本。通过分时复用的方式实现在特定时间片对特定比特的控制。该系统通过牺牲部分并行性减少了控制资源的使用。由于存在双量子比特操作，控制通道数m最少为2。
23.量子计算机是通过量子测控系统来实施量子逻辑门操作的，不同逻辑门操作在同一控制通道以脉冲方式实现。
24.如图2所示，本发明实施例提供一种低功耗高效率量子测控编译方法，应用于(例如控制通道和量子比特比值为m:n(m≤n))的分时复用量子测控系统，该测控系统可通过控
制通道的分时复用顺序执行量子程序指令。但是在相邻指令存在相关性的情况下，控制通道依然可能存在空闲。此时若能够将后续不相关的指令提前执行，则可以充分利用控制通道，最大化并行执行效率；基于此，本发明实施例提供的方法包括以下步骤：
25.s101：将每个量子比特看作经典计算机中寄存器的一个比特位，将控制通道看作经典计算机中的计算功能部件，将量子线路中的所有单门操作均看作经典计算机指令中的乘法指令，以及将量子线路中的所有双门操作均看作经典计算机指令中的异或指令；所述计算功能部件包括乘法计算功能部件和异或计算功能部件；
26.具体地，乘法计算功能部件和异或计算功能部件所要处理的指令格式如图3所示。其中乘法计算功能部件q-multi的目标操作数为某量子比特q1，源操作数为q1及常数r(因为量子单门操作相当于量子比特乘以一个常量矩阵，所以相当于第二个操作数为常数r)；异或计算功能部件q-xor的目标操作数为某量子比特q1，源操作数为q1及控制量子比特q2。
27.例如，对于控制通道数为m的分时复用量子测控系统，其计算功能部件为m个乘法计算功能部件(也称为q-multi部件)，任意两个q-multi部件可组合为一个异或计算功能部件(也称为q-xor部件)。
28.s102：将量子指令的执行阶段看作经典计算机指令流水过程中的指令发射阶段和指令执行阶段；
29.s103：采用记分牌算法记录量子比特和多个计算功能部件的状态变化信息，通过检测和减少数据的相关性，减少控制通道空闲。
30.具体地，指令发射阶段的主要任务是检查结构冲突和数据冲突。该阶段不占用时钟周期，每次时钟跳变时，先检查是否有指令执行完毕，清空相应功能部件和量子比特，然后进行指令发射。具体包括以下内容：在指令发射阶段，依次检查发射窗口中的指令，若检查的当前指令对应的计算功能部件空闲，且所述当前指令所要使用的量子比特未被正在执行的指令占用，则发射该当前指令到其对应的计算功能部件，并更新记分牌中的各参数状态，并读取相应操作数，将所述当前指令所使用的量子比特打上操作标记。
31.在指令执行阶段，计算功能部件对量子比特执行对应功能计算操作，当得到计算结果后，所述计算功能部件通知记分牌对应功能计算操作已执行完毕，以便在所述当前指令执行完毕后，将其对应的计算功能部件“清空”，将其所使用的量子比特“释放”，并更新记分牌。
32.作为一种可实施方式，记分牌中的各参数状态如表1所示。
33.表1
[0034][0035]
其中，busy：表示功能部件是否占用。op：表示操作指令。fi：表示目的寄存器；fj，fk：均表示源寄存器。qj，qk：表示产生fj，fk的功能部件。rj，rk：分别表示fj，fk是否就绪。
[0036]
为了更清楚的理解本发明技术方案，本发明还提供了连续8条指令在记分牌调度算法下的发射执行过程，具体内容如下：其中clock为时钟周期数，在每个时钟周期先检查是否可发射指令，若满足指令发射条件，则进行指令发射(issue)，否则不发射指令，然后进
入指令执行阶段(exec)。instruction status表示指令状态，issue表示指令发射情况，“*”表示已发射，exec表示指令开始执行时的时钟周期。functional unit status表示功能部件状态。q-multi操作执行占用一个时钟周期，q-xor操作占用两个时钟周期；下述各个状态表格中的“空格”表示没有数值或内容。
[0037]
clock：1
[0038]
issue：
[0039][0040][0041]
exec：
[0042][0043][0044][0045]
clock：2
[0046]
issue：
[0047][0048][0049]
exec：
[0050][0051][0052]
clock：3
[0053]
issue：
[0054][0055][0056]
exec：
[0057][0058][0059]
clock：4
[0060]
issue：
[0061]
[0062][0063][0064]
exec：
[0065][0066][0067]
clock：5
[0068]
exec：
[0069]
[0070][0071]
clock：6
[0072]
issue：
[0073][0074][0075]
exec：
[0076][0077][0078]
clock：7
[0079]
issue：
[0080][0081][0082]
exec：
[0083][0084][0085]
clock：8
[0086]
exec：
[0087]
[0088][0089][0090]
clock：9
[0091]
issue：
[0092][0093][0094]
exec：
[0095]
[0096][0097][0098]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种分时复用量子测控系统，其特征在于，通过分时复用的方式，采用m个控制通道来控制n个量子比特；其中，每个控制通道均连接至所有的量子比特；m≤n，m和n均为正整数，m≥2。2.一种低功耗高效率量子测控编译方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的分时复用量子测控系统，所述方法包括：将每个量子比特看作经典计算机中寄存器的一个比特位，将控制通道看作经典计算机中的计算功能部件，将量子线路中的所有单门操作均看作经典计算机指令中的乘法指令，以及将量子线路中的所有双门操作均看作经典计算机指令中的异或指令；所述计算功能部件包括乘法计算功能部件和异或计算功能部件；将量子指令的执行阶段看作经典计算机指令流水过程中的指令发射阶段和指令执行阶段；采用记分牌算法记录量子比特和多个计算功能部件的状态变化信息，通过检测和减少数据的相关性，减少控制通道空闲。3.根据权利要求2所述的一种低功耗高效率量子测控编译方法，其特征在于，所述采用记分牌算法记录量子比特和多个计算功能部件的状态变化信息，通过检测和减少数据的相关性，减少控制通道空闲，具体包括：在指令发射阶段，依次检查发射窗口中的指令，若检查的当前指令对应的计算功能部件空闲，且所述当前指令所要使用的量子比特未被正在执行的指令占用，则发射该当前指令到其对应的计算功能部件，并更新记分牌中的各参数状态，并读取相应操作数，将所述当前指令所使用的量子比特打上操作标记。4.根据权利要求3所述的一种低功耗高效率量子测控编译方法，其特征在于，所述采用记分牌算法记录量子比特和多个计算功能部件的状态变化信息，通过检测和减少数据的相关性，减少控制通道空闲，具体还包括：在指令执行阶段，计算功能部件对量子比特执行对应功能计算操作，当得到计算结果后，所述计算功能部件通知记分牌对应功能计算操作已执行完毕，以便在所述当前指令执行完毕后，将其对应的计算功能部件“清空”，将其所使用的量子比特“释放”，并更新记分牌。

技术总结
本发明提供一种分时复用量子测控系统及低功耗高效率量子测控编译方法。该方法应用于分时复用量子测控系统，包括：将每个量子比特看作经典计算机中寄存器的一个比特位，将控制通道看作经典计算机中的计算功能部件，将量子线路中的所有单门操作均看作经典计算机指令中的乘法指令，以及将量子线路中的所有双门操作均看作经典计算机指令中的异或指令；所述计算功能部件包括乘法计算功能部件和异或计算功能部件；将量子指令的执行阶段看作经典计算机指令流水过程中的指令发射阶段和指令执行阶段；采用记分牌算法记录量子比特和多个计算功能部件的状态变化信息，通过检测和减少数据的相关性，减少控制通道空闲。减少控制通道空闲。减少控制通道空闲。


技术研发人员：赵博 单征 朱雨 侯一凡 韩林 赵香菊 杨一航 靳雷 姚金阳 韩鹏宇
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：2022.01.28
技术公布日：2022/5/25