[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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：

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。

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：

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。

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：

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。