一种用于对接量子计算机与用户的云平台及平台运行方法与流程

本发明提供了一种用于对接量子计算机与用户的云平台及平台运行方法，属于量子计算领域。

背景技术：

以量子比特为基本单位制成的计算机即为量子计算机。经典比特是用电平的高低来分别表示1和0，从而对信息进行编码。而量子比特是用什么编码0和1呢？之前我们提到过，在量子世界里，能量是一份一份出现的，这种现象被我们称为量子化。我们选取一种特殊状态的粒子，它的能量只有两种状态，低能级(基态)，高能级(激发态)。打一个比方，粒子是人，而不同的能级是台阶。站在台阶下边意味着处于基态，站在台阶上边则是处于激发态。我们把低能级编码为0，高能级编码为1，这就是量子比特。

量子计算机在很多方面相比于传统计算机有着先天优势。一、计算速度快。由于量子计算机可以存储于操作0与1的相干叠加态。而传统计算机只有0,1两种状态。这意味着同样是n个比特的计算机，量子计算机一次运算最多可以操作2ⁿ组数据，而经典计算机只能处理1组数据。以两个比特为例，经典计算机一次操作可以将01变为10。而量子计算机则可以将(|00>+|01>)变为(|10>+|11>)，相当于同时处理两组数据。这就意味着，随着比特数的增加，量子计算机的计算速度将获得指数级的增长！二、能耗低。信息论中有一个理论：信息的抹除需要消耗一定的能量。举个例子，传统计算机中，逻辑与门实现的功能为，当输入全部为1时，输出为1，否则输出为零。当得到计算结果为0后，之前的输入信息我们通过结果无法推测。这种计算成为不可逆计算。由于得到输出结果后便抹除了输入的信息，因此需要消耗能量。随着传统计算机集成度的增加，散热问题会越来越棘手。而量子计算则为可逆计算，从输出的结果可以反推出输入的数据。因此热损耗将大大降低。量子计算是利用量子力学现象(如态叠和纠缠)进行计算。但是，由于量子计算机运行环境极其严苛，相较当前的计算机很难实现普及，如何对现有需要使用量子计算机的普通用户使用是一个需要解决的问题。

现有技术的云计算平台都是基于传统计算机的平台，由于传统的计算机云平台在计算以及接口方面与量子计算机不同，不可直接使用，无法兼容，现有技术并没有针对于量子计算机的云平台。

技术实现要素：

1、要解决的问题

现有技术的云计算平台都是基于传统计算机的平台，由于传统的计算机云平台在计算以及接口方面与量子计算机不同，不可直接使用，无法兼容，现有技术并没有针对于量子计算机的云平台。本发明提供了一种用于对接量子计算机与用户的云平台及平台运行方法，量子云计算平台是以量子计算机为核心的云服务，用户经过量子云平台将量子程序经过云平台将被发送到量子云平台所连接的量子计算机上，由量子计算机识别该语言，并执行计算后返回计算结果，完成普通用户的量子计算，大大增加了计算效率。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

由于量子计算机运行环境极其严苛，相较当前的计算机很难实现普及，如何对现有需要使用量子计算机的普通用户使用是一个需要解决的问题。本方案提供了一种用于对接量子计算机与用户的云平台，包括用户信息及任务接口模块、量子云平台用户信息管理器、量子云平台计算资源存储器和任务调度服务器，用户信息及任务接口模块，连接用户设备，用户设备用于提交用户信息及计算任务，用户信息及任务接口模块用于接收用户设备提交的用户信息及计算任务，并将用户信息提交到量子云平台用户信息管理器，计算任务提交到量子云平台计算资源存储器和任务调度服务器，并对进行用户信息认证以及对反馈结果进行处理；

量子云平台用户信息管理器，与用户信息及任务接口模块、量子云平台计算资源存储器、任务调度服务器连接，用于存储、管理用户信息和用户权限，为其他设备模块提供用户信息查询；

量子云平台计算资源存储器，与用户信息及任务接口模块、量子云平台用户信息管理器、任务调度服务器连接，用于存储计算任务、量子计算资源当前使用情况信息及量子计算机自行计算任务后的结果，并将结果通过用户信息及任务接口模块反馈至用户设备；

任务调度服务器，与量子云平台计算资源存储器、接口系统连接，记录量子线路或量子语言执行任务复杂度信息，根据复杂度信息对计算任务进行预判，同时量子计算资源当前使用情况信息进行量子计算资源分配，将量子计算任务通过结构系统分配至对应的量子计算机。

更进一步的，任务调度服务器根据量子逻辑门数量和执行时间进行任务总执行时间的判断，分配量子计算资源。

更进一步的，用户信息及任务接口模块包括对外接口模块，对外接口模块连接量子计算机。

对外接口模块，包括：

加载接口，加载接口，与外部传统计算机系统相连，加载对应外部计算机用户设备输入的传统普通计算机输入的量子程序，解析量子程序；

接口系统解析模块，解析量子程序为量子指令链表。量子程序由量子指令集组成，量子指令集对应着各种量子逻辑门。接口系统解析模块会解析量子程序，并把解析的量子程序按顺序组成量子逻辑门链表，用于操控量子计算机。

一种用于对接量子计算机与用户的云平台的运行方法，步骤如下：

步骤一，用户通过外部用户设备，进行云平台登录，通过用户信息及任务接口模块确认登录权限；

步骤二，用户登陆后，用户提交计算请求；

步骤三，量子云平台判断提交任务权限；

步骤四，量子云平台将计算请求提交至任务调度服务器，任务调度服务器对计算资源合理分配；

步骤五，任务调度服务器向量子计算机请求计算资源，量子计算机执行结果；

步骤六，量子计算机将结果反馈给任务调度服务器，任务调度服务器再将具体结果反馈量子云平台，量子云平台将结果展示给用户。

更进一步的，步骤二中，计算请求为编辑好的量子线路或量子语言。

更进一步的，步骤三，量子云平台判断用户有提交权限时候，排队进行等候计算任务，对于所提交的任务进行存储；存储在量子云平台计算资源存储器。

无提交任务权限时候或是提示用户无权限使用计算资源，反馈回云平台，展示给用户。

更进一步的，步骤五中，量子计算机根据用户提交的数据进行计算，反馈提交的量子语言或线路是否符合约定、能否执行的信息，若能正常运行且得到结果，将结果反馈给任务调度服务器，若无法正常运行，将结果反馈给任务调度服务器，任务调度服务器再将具体结果反馈量子云平台，量子云平台将结果展示给用户。

更进一步的，步骤五中，量子计算机对现有外部用户进行量子计算过程如下：

(1)量子程序进入量子计算机；

(2)调用加载接口，解析量子程序；

(3)接口系统会把量子程序转换为量子指令链表，如果解析量子程序成功，接口系统返回当前量子程序需要的量子比特数；如果不成功，返回错误类型；

(4)量子程序解析成功后，调用选择计算单元接口，选择量子计算机作为计算单元；

(5)调用执行接口，接口系统把量子指令链表按照顺序填充到fpga驱动指定的内存空间；

(6)fpga驱动读取量子指令，并转换为对应的微波波形，用以操控量子计算机执行量子程序，并在运算结束通过测量得到计算结果；

(7)fpga驱动把计算结果保存到指定内存空间，并发送中断通知cpu计算结果准备就绪；

(8)cpu启动接口系统进程，读取计算结果。

更进一步的，步骤(5)具体流程如下，接口系统获取量子逻辑门链表首节点，判断节点是否为空，为空，则结束执行，不为空，深层对应量子逻辑门的指令，填充指令到指定的内存空间，并获取下一个节点，继续判断节点是否为空，依次循环，直至结束。

更进一步的，步骤(7)中在接口系统填充内存时，fpga驱动程序会轮训该内存空间，读取目标内存指令长度，当内存空间内指令数量超过100个，同时不是结束指令时，fpga驱动系统会根据指令的类型控制微波发射器发送对应的波形，控制量子计算机运算。

更进一步的，fpga驱动读取量子指令前，fpga驱动启动，并处于阻塞等待量子指令的状态。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种用于对接量子计算机与用户的云平台，利用该系统，用户可以进行量子计算资源的申请，量子计算资源是量子计算机整合后的能够提供给用户使用的东西，如用户向量子计算机申请计算某个量子线路运行结果的请求，量子线路由量子逻辑门构成，量子逻辑门概念可参考经典逻辑门概念，量子逻辑门操作的是量子计算机，量子计算机运行该结果所消耗的资源即为所申请的量子计算资源，如量子计算机的计算能力，量子计算机的数据存储空间等，通过提交量子程序的方式，查看已执行计算的结果等功能，从而解决量子计算机不能普遍应用的技术难题。

(2)本发明提供了一种让普通用户，即不具备单独购买并运行量子计算机的人群能够拥有操作量子计算机执行计算的平台和方法，降低了计算成本，整合了市场资源，方便、快捷。

附图说明

图1是量子云计算平台的整体结构图；

图2是量子云计算平台的工作流程；

图3是调用量子计算机执行量子程序的活动图。

具体实施方式

实施例1

本方案，提出了一种用于对接量子计算机与用户的云平台，包括依次连接的用户信息及任务接口模块、量子云平台用户信息管理器、量子云平台计算资源存储器、任务调度器以及量子计算机。如图1所示量子云平台系统的整体结构图，各个模块均独立运行，各模块之间以系统内部约定的形式进行通讯。如用户信息及任务接口模块与量子云平台用户信息管理器可以采用https协议进行通讯；

用户信息及任务接口模块，连接用户设备，用户设备用于提交用户信息及计算任务，用户信息及任务接口模块用于接收用户设备提交的用户信息及计算任务，并将用户信息提交到量子云平台用户信息管理器，计算任务提交到量子云平台计算资源存储器和任务调度服务器，并对进行用户信息认证以及对反馈结果进行处理，用户信息及任务接口模块为整个量子云平台的一部分，如用户不允许登陆，用户信息提交设备提示用户是非法用户，不能提交计算任务请求。用户信息及任务接口模块可以是客户端，浏览器等可完成上述功能的设备或软件，同时该模块还具备提交量子线路或量子语言功能，使用户可以请求量子计算资源。并与外部的用户输入设备相连接。外部的用户可以通过计算机输入相应的信息，通过用户信息及任务接口模块接收和提交对应的用户信息和任务信息。

量子云平台用户信息管理器，与用户信息及任务接口模块、量子云平台计算资源存储器、任务调度服务器连接，用于存储、管理用户信息和用户权限，为其他设备模块提供用户信息查询，是存储用户信息，为其他设备提供用户信息查询的设备，如向用户信息提交设备器反馈用户能否登录，为用户设置等级存在数据库中记录，可以设置相应的权限，比如，默认等级为二级，用户可向管理员申请成为三级用户，若用户有恶意破坏网站行为管理员可将其降级为一级，具体的设置方式根据需求来决定，根据用户等级和提交任务时先前未执行完的任务数来判断提交任务能否执行，符合上述功能的设备均属于用户信息管理器。同时具有对用户信息数据库中表信息进行增加，删除，修改，查找等功能，对用户信息数据库中表信息进行增，删，改，查等功能。

量子云平台计算资源存储器，与用户信息及任务接口模块、量子云平台用户信息管理器、任务调度服务器连接，用于存储计算任务、量子计算资源当前使用情况信息及量子计算机自行计算任务后的结果，并将结果通过用户信息及任务接口模块反馈至用户设备，方便用户进行量子计算历史结果的查找。

任务调度服务器，与量子云平台计算资源存储器、接口系统连接，记录量子线路或量子语言执行任务复杂度信息，根据复杂度信息对计算任务进行预判，同时量子计算资源当前使用情况信息进行量子计算资源分配，将量子计算任务通过结构系统分配至对应的量子计算。

任务调度服务器，事先记录一些相关量子线路或量子语言执行任务复杂度的记录，如量子线路中某个量子逻辑门执行一次所需要的时间，对于量子云平台的后台提交来的任务根据量子逻辑门的数量、每个逻辑门执行的时间对该量子线路执行时间进行预判，本处预判是指根据量子逻辑门的数量及每个逻辑门执行的时间进行叠加来确定时间，例如一个操纵6位比特的h逻辑门执行时间是1，执行5次，执行时间为5，m门根据操作的比特数衡量执行时间，如操纵1位比特执行m门的时间为1，操纵6比特的m门则为6，但m门不可反复执行，只能执行一次，即m门与操纵比特数有关，所以当执行5次h门，一次m门时，执行总时间为11。依照此类方法对量子线路执行时间进行预判。各个逻辑门执行时间是根据本系统量子计算机实际执行时间得出的结果，不同量子计算机性能略有不同，数据会进行调节，但是根据该设计思路，即根据不同逻辑门，逻辑门执行次数计算出来的执行时间是本方案特有的，同时根据量子计算资源使用情况进行资源分配，如量子计算机设备1空闲，设备2还在计算，可将该任务分配给设备1；再如设备1排队2个任务，执行时间为20，设备2排队3个任务，执行时间为10，本次任务经过预估执行时间为5，将本次任务分配给设备2，将其完成所有任务执行时间改为15，依照此调度算法执行完所有任务需要耗费的总时长为20；对比以往调度算法未对量子线路执行时间进行预先判断无法得知可能耗费的时间，只是单纯对于发送来的任务进行分配如本例中设备1有2个任务，设备2有3个任务，将该任务分配给设备1，依照此调度算法执行完所有任务需要耗费的总时长为25，相对于本发明中的使用到的调度器时间耗费增加了5，设备2在执行完所有任务后处于停滞状态，然而所有任务并未执行完，此为资源利用。相比较现在的任务调度服务器，其特点在于根据量子逻辑门数量和执行时间进行任务总执行时间的判断，现有任务调度服务器未考虑到量子逻辑门数量和执行时间这两点重要因素，导致在申请量子计算资源时比较随机，如设备1预计执行时间20，未执行任务3，设备2预计执行时间30，未执行任务2，现有任务调度服务器可能将下一个任务分配给设备2。

本方案的量子云平台能够很好的解决普及型这个关键点。量子云平台是以量子计算机为核心的云服务，用户经过量子云平台，使得量子程序经过云平台被发送到量子云平台所连接的量子计算机上，由量子计算机识别该语言，并执行计算后返回计算结果，一种量子编程语言，类比经典计算机编程语言，此语言被量子计算机所识别。

本发明描述了量子云平台，利用该系统，用户可以进行量子计算资源的申请，量子计算资源是量子计算机整合后的能够提供给用户使用的东西，如用户向量子计算机申请计算某个量子线路运行结果的请求，量子线路由量子逻辑门构成，量子逻辑门概念可参考经典逻辑门概念，量子逻辑门操作的是量子计算机，量子计算机运行该结果所消耗的资源即为所申请的量子计算资源，如量子计算机的计算能力，量子计算机的数据存储空间等，通过提交量子程序的方式，查看已执行计算的结果等功能，从而解决量子计算机不能普遍应用的技术难题。

实施例2

如图2所示，展示了一种用于对接量子计算机与用户的云平台的运行方法，步骤如下：

步骤一，用户登录，用户通过浏览器等方式向本云平台请求身份认证，此处的浏览器为用户信息及任务接口模块，云平台通过量子云平台用户信息管理器查询相关数据认证该数据发送者是否有登录权限，若没有提示让其注册为新用户。

步骤一中所述的身份认证是指提交数据之前对用户登陆的唯一身份标志，用户名，密码等敏感信息进行脱敏，保证用户传输信息的安全性，认证后台根据约定好的加密解密算法进行解密，对应的脱敏、解密方法可以为现有的方法，比对数据，完成用户登录验证。

步骤二，用户登陆后，可在平台内，查看本用户的历史提交任务，新用户无该项记录，用户可使用用户设备，通过用户信息及任务接口模块自行编辑相应量子线路或量子语言来进行相关计算请求，更优选的，量子线路有图形化界面可进行拖拽来搭建量子线路，量子语言定义为量子计算机所能接收识别的语言，具体可参考经典计算机各种语言如何被经典计算机接收识别，能够让量子计算机执行特定功能或计算的一系列指令，编辑好后提交自己的执行任务。

步骤三，量子云平台通过量子云平台用户信息管理器，经过与本地数据进行比对，判断用户是否有权限提交该任务，是否有权限使用量子计算机资源，若没有，对于所提交的任务进行存储，排队进行等候或是提示用户无权限使用计算资源，联系平台解决。

步骤四，如有权限，量子云平台将可被量子计算机执行的量子语言或量子线路发送给任务调度服务器，该任务为步骤三所判断后拥有量子计算资源权限用户所提交的任务，任务调度服务器经过自身调度算法，对计算资源合理分配，使用户能最快得到计算结果。

步骤五，任务调度服务器向量子计算机请求计算资源，量子计算机根据提交数据进行计算并反馈提交的量子语言或线路是否符合约定、能否执行等相关信息，若能正常运行且得到结果，将结果反馈给任务调度服务器，任务调度服务器再将具体结果反馈至量子云平台的量子云平台计算资源存储器，量子云平台计算资源存储器通过用户信息及任务接口模块将结果展示给用户设备。

实施例3

如图3所示，为了方便开发人员在无量子计算机的前提下，使用普通计算机进行代码输入，并且在量子程序开发完成之后，可以无修改的复用到量子计算机。用户信息及任务接口模块包括对外接口模块，对外接口模块连接量子计算机。

对外接口模块，包括：加载接口，与外部传统计算机系统相连，加载对应外部计算机用户设备输入的传统普通计算机输入的量子程序；接口系统解析模块，解析量子程序为量子指令链表，解析量子程序；量子程序由量子指令集组成，量子指令集对应着各种量子逻辑门。接口系统解析模块会解析量子程序，并把解析的量子程序按顺序组成量子逻辑门链表，用于操控量子计算机。对外接口模块还包括选择计算单元，用于选择对应的量子计算机作为任务的计算单元，

量子计算机对现有外部用户进行量子计算过程如下：

(1)量子程序进入量子计算机；

(2)调用加载接口，解析量子程序；

(3)接口系统会把量子程序转换为量子指令链表，如果解析成功接口，返回当前量子程序需要的量子比特数；如果不成功，返回错误类型；

(4)量子程序解析成功后，调用选择计算单元接口，选择量子计算机作为计算单元；

(5)调用执行接口，接口系统把量子指令链表按照顺序填充到fpga驱动指定的内存空间；具体流程如下，接口系统获取量子逻辑门链表首节点，判断节点是否为空，为空，这结束执行，不为空，深层对应量子逻辑门的指令，填充指令到指定的内存空间，并获取下一个节点，继续判断节点是否为空，依次循环，直至结束；

(6)fpga驱动读取量子指令，并转换为对应的微波波形，用以操控量子计算机执行量子程序，并在运算结束通过测量得到计算结果。把操作量子计算机的指令填充到经典计算机的固定内存空间，在接口系统填充内存时，具体流程如下，fpga驱动程序会轮训该内存空间，读取目标内存指令长度，当内存空间内指令数量超过100个，同时不是结束指令时，fpga驱动系统会根据指令的类型控制微波发射器发送对应的波形，以达到控制量子计算机的目的。fpga驱动读取量子指令前，fpga驱动启动，并处于阻塞等待量子指令的状态。

(7)fpga驱动把计算结果保存到指定内存空间，并发送中断通知cpu计算结果准备就绪。

(8)cpu启动接口系统进程，读取计算结果。

用户只需要提供量子程序就可以通过云平台通过普通计算机调用量子计算机，由量子计算机识别该语言，并执行计算后返回并获得相应的计算结果，完成普通用户的量子计算，大大增加了计算效率，节约了计算资源。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。