软件限定的量子计算机制造技术

本公开描述了软件限定的量子计算机的各个方面。例如，描述了软件限定的量子计算机和可扩展/模块化量子计算机。还至少描述了软件限定的量子架构、资源管理器工作流、量子编译器架构、硬件描述语言配置、应用程序编程接口(API)访问点的级别以及软件限定的量子架构中的异常处理。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】软件限定的量子计算机相关申请的交叉引用本专利申请要求2018年11月26日提交的标题为“SOFTWARE-DEFINEDQUANTUMCOMPUTER”的美国非临时申请16/199,993和2017年11月28日提交的标题为“SOFTWARE-DEFINEDQUANTUMCOMPUTER”的美国临时申请62/591,641的专利优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术介绍
本公开的各方面总体上涉及可配置的量子计算系统，并且更具体地，涉及软件限定的量子计算机。在针对固态量子位(也写作qubit)(例如，超导量子位，量子点(QD)等)的传统量子计算机(QC)中，在芯片或集成电路的硬件设计中构建量子位，并且它们的连接通常被该硬件设计限定。这意味着，例如(但不限于)：(i)可以计算的问题的大小，(ii)可以实施的电路操作或算法/计算的类型，以及(iii)相应的性能指标(例如，运行电路/算法所需的门总数、执行计算所需的时间以及量子电路的成功概率)强烈依赖于量子位硬件(即，用于实现量子位的硬件)的具体设计，其通常被实施为芯片或集成电路。换句话说，传统的固态量子计算机的操作或配置由于硬件组件的固有限制而趋于僵化。非常需要允许量子计算机的灵活性和可配置性，尤其是动态和/或基于软件的可配置性的技术。
技术实现思路
以下给出了一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是所有预期方面的详尽概述，并且既不旨在标识所有方面的关键或重要元素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式给出一个或多个方面的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的序言。在本公开的一方面，硬件描述语言可以用于软件限定的量子计算机，以配置可用于软件限定的量子计算机的各种资源以执行特定的任务、功能、程序或例程。硬件描述语言可以用于动态地配置软件限定的量子计算机，使得例如计算的大小(例如，量子位的数量)不需要是固定的并且可以在运行中进行调整。在一个示例中，硬件描述语言可以指定软件限定的量子计算机的结构(例如，硬件连接性)和行为(例如，操作)。在本公开的一方面，描述一种软件限定的量子计算机，其包括：控制单元，其被配置为从软件程序接收编程指令并至少部分地基于所述编程指令生成控制信号；以及多个量子位，其中一数量的所述量子位和任意两个所述量子位之间的连接由来自所述控制单元的控制信号启用和控制。在本公开的另一方面，描述一种软件限定的量子计算机，其包括多个模块，每个模块具有控制单元、通信控制单元和多个量子位，每个控制单元被配置为从软件程序接收编程指令，并且至少部分地基于所述编程指令生成控制信号，并且一数量的所述量子位和任意两个所述量子位之间的连接由来自所述控制单元的所述控制信号来启用和控制。所述软件限定的量子计算机还包括交换机/路由器单元，所述交换机/路由器单元被配置为启用来自每个所述模块的所述通信控制单元的通信信道。在本公开的另一方面，描述一种软件限定的量子计算架构，其包括：应用程序编程接口(API)；量子操作系统(OS)，所述API在其上执行，所述量子OS包括资源管理器和交换机；以及多个量子核，其经由所述交换机连接，所述资源管理器被配置为确定所述量子核中量子位的分配。在本公开的另一方面，描述一种用于编译软件限定的量子计算机的源代码的方法，该方法包括：对量子编程语言的高级中间表达执行词汇分析；对所述词汇分析的输出执行语义分析；以及基于所述语义分析的输出生成所述量子编程语言的中级中间表达。在本公开的又一方面，描述一种计算机可读介质，其存储具有指令的代码，所述指令可由处理器执行，用于编译软件限定的量子计算机的源代码，所述代码包括：用于对量子编程语言的高级中间表达执行词汇分析的代码；用于对所述词汇分析的输出执行语义分析的代码；以及用于基于所述语义分析的输出生成所述量子编程语言的中级中间表达的代码。在本公开的另一方面，描述一种软件限定的量子计算机，其包括第一控制单元和第二控制单元。所述第一控制单元可被配置为从软件程序接收编程指令并生成第一控制信号，并且第一多个量子位由来自所述第一控制单元的所述第一控制信号启用和控制。所述第二控制单元可被配置为从所述软件程序接收编程指令并生成第二控制信号，并且第二多个量子位由来自所述第二控制单元的所述第二控制信号启用和控制。此外，所述第一控制单元可被配置为搬运(shuttle)要由所述第二控制单元控制的一数量的所述第一多个量子位，使得所述第二多个量子位的数量增加了所搬运的所述第一多个量子位的所述数量。本文描述了与软件限定的量子计算机相关的各个方面的方法、设备和计算机可读存储介质。附图说明附图仅说明了一些实施方式，因此不应视为对范围的限制。图1A是说明根据本公开的各方面的软件限定的量子计算机的示例的图示。图1B-1D是说明根据本公开的各方面的控制多个区域的量子位(qubit)的示例的图示。图2是说明根据本公开的各方面的可扩展的软件限定的量子计算机的示例的图示。图3是说明根据本公开的各方面的软件限定的量子计算机架构的示例的图式。图4A-4C是说明根据本公开的各方面的资源管理器工作流的示例的流程图。图5是说明根据本公开的各方面的应用程序编程接口(API)访问点的级别的示例的图。图6是说明根据本公开的各方面的编译器架构的示例的图。图7A-7C是说明根据本公开的各方面的异常分类的示例的图。图8是说明根据本专利技术的各方面的计算机装置的示例的图。具体实施方式以下关于附图给出的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不意图代表可以实践本文中所描述的概念的仅有配置。该详细描述包括特定细节，以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，以框图形式示出了众所周知的组件，以避免使这些概念模糊。本公开描述了用于实施量子计算机(QC)、QC系统或量子信息处理(QIP)系统的方法的各个方面，其中，QC的功能方面中的若干个，如果不是大多数个，由软件限定(即软件限定的功能)。即，QC的功能不需要是僵化的或受硬件设计限制，可以使用软件进行配置。通过实施QC的软件限定的架构，可以使用软件或一些动态指令来限定量子位的系统，控制和操纵量子位连接性(例如，不同量子位之间的连接)，以及调制量子位间的交互(例如，不同量子位之间的交互)以执行给定的计算或仿真任务。此方法还可能涉及用于描述QC的硬件配置的系统化方式。经典的，即非量子的中央处理单元(CPU)通常包括控制单元和数据路径，这两者通常使用数字互补金属氧化物半导体(CMOS)电路来实施。控制单元通常翻译程序的指令以决定如何操纵数据，并管理CPU中执行该指令所需的资源以及每个指令执行的定时。数据路径是处理器中功能单元、寄存器和总线的集合，正被处理的数据从中流过。通过控制单元指示各种功能单元、寄存器和总线来操纵数据以执行计算，从而最终输出期望的计算任务。在典型的CPU中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软件限定的量子计算机，包括：/n控制单元，其被配置为从软件程序接收编程指令，并且至少部分地基于所述编程指令生成控制信号；和/n多个量子位，其中一数量的所述多个量子位和所述多个量子位中任意两个之间的连接由来自所述控制单元的所述控制信号来启用和控制。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171128 US 62/591,641;20181126 US 16/199,9931.一种软件限定的量子计算机，包括：
控制单元，其被配置为从软件程序接收编程指令，并且至少部分地基于所述编程指令生成控制信号；和
多个量子位，其中一数量的所述多个量子位和所述多个量子位中任意两个之间的连接由来自所述控制单元的所述控制信号来启用和控制。


2.根据权利要求1所述的软件限定的量子计算机，其中使用硬件描述语言来配置所述控制单元和所述多个量子位。


3.根据权利要求1所述的软件限定的量子计算机，其中所述控制单元被配置为动态地生成控制信号，以调整所述多个量子位的所述数量以及所述多个量子位中任意两个之间的所述连接。


4.根据权利要求1所述的软件限定的量子计算机，其中所述多个量子位被配置为执行与所述软件程序相关的指定的量子操作，并且其中在所述软件程序的执行期间处理一个或多个异常。


5.根据权利要求3所述的软件限定的量子计算机，其中所述一个或多个异常包括硬件异常、软件异常或此二者。


6.一种软件限定的量子计算机，包括：
多个模块，每个模块具有控制单元、通信控制单元和多个量子位，每个控制单元被配置为从软件程序接收编程指令，并且至少部分地基于所述编程指令生成控制信号，并且一数量的所述多个量子位和所述多个量子位中任意两个之间的连接由来自所述控制单元的所述控制信号启用和控制；和
交换机/路由器单元，其被配置为启用来自所述多个模块中的每个模块的通信控制单元的通信信道。


7.根据权利要求6所述的软件限定的量子计算机，其中所述多个模块的数量被动态地改变。


8.根据权利要求6所述的软件限定的量子计算机，其中每个通信控制单元被配置为从所述软件程序接收编程指令，并且至少部分地基于所述编程指令生成控制信号。


9.根据权利要求8所述的软件限定的量子计算机，其中每个通信控制单元关于相应的通信信道控制所述多个量子位中的至少一个。


10.根据权利要求8所述的软件限定的量子计算机，其中：
所述多个量子位包括存储器/操作量子位和通信量子位，
所述存储器/操作量子位由来自所述控制单元的所述控制信号启用和控制，并且
所述通信量子位由来自所述通信控制单元的所述控制信号启用和控制。


11.一种软件限定的量子计算架构，包括：
应用程序编程接口API；
量子操作系统OS，所述API在所述量子OS上执行，所述量子OS包括资源管理器和交换机；和
多个量子核，所述多个量子核经由所述交换机连接，所述资源管理器被配置为确定在所述多个量子核中量子位的分配。


12.根据权利要求11所述的软件限定的量子计算架构，其中所述多个量子核是异质架构。


13.根据权利要求12所述的软件限定的量子计算架构，还包括在所述异质架构中的一个或多个换能器。


14.根据权利要求11所述的软件限定的量子计算架构，其中所述多个量子核是同质架构。


15.根据权利要求11所述的软件限定的量子计...

【专利技术属性】
技术研发人员：金正生，大卫·莫林，奥马尔·谢哈布，南运盛，乔纳森·米兹拉希，斯图尔特·艾伦，
申请(专利权)人：爱奥尼克公司，
类型：发明
国别省市：美国;US