基于微内核架构的量子计算机操作系统及量子计算机技术方案

本申请公开了基于微内核架构的量子计算机操作系统及量子计算机，其中，量子计算机为异构量子计算机，异构量子计算机包括量子处理器部分和经典处理器部分，本申请通过将内核对象管理模块和数据传递模块配置于内核空间，将其他的系统功能模块移到用户空间，最小化内核空间中的功能结构，并通过内核对象管理模块创建IPC通道，通过IPC通道和数据传递模块实现量子计算机的消息传递和远程内存访问，避免了用户态和内核态切换的开销。本申请采用微内核架构来设计量子计算机操作系统，最小化了操作系统内核空间中的功能结构，其具有开销小、可靠性高、安全性好等优点，通过该量子计算机操作系统控制异构量子计算机，提高了异构量子计算机的效率和性能。机的效率和性能。机的效率和性能。

【技术实现步骤摘要】
基于微内核架构的量子计算机操作系统及量子计算机


[0001]本申请属于量子计算领域，具体涉及一种基于微内核架构的量子计算机操作系统及量子计算机。

技术介绍

[0002]量子计算机(quantum computer)是根据量子力学规律进行高速运算的计算机设备。与传统的计算机相比，量子计算机存在运行速度快、处置信息能力强、应用范围广的优势，也就是说在信息处理过程中，处理的信息量越多，使用量子计算机实施运算的优势就越大，在提高处理效率的同时也能确保运算的精准性。
[0003]量子计算机直接使用独特的量子力学现象(例如叠加和纠缠等)运行量子算法对量子信息数据执行操作，量子处理器是在由大量量子比特单元构成的量子芯片，通过运行由通用量子逻辑门构成的量子算法，以实现量子信息处理过程。因为量子比特编码以及量子逻辑门的特殊性质，量子计算机在密码破解、量子化学模拟、量子人工智能等前沿科技领域具有远超经典计算机性能极限的潜力。
[0004]量子计算机操作系统是量子计算机中连接终端和量子处理器的核心部分，量子计算机操作系统决定了量子计算机的功能。目前，在大多数应用场景下，量子计算机需要同时使用量子处理器和经典处理器对任务进行处理，一方面是因为量子处理器目前处于起步阶段，其只是在处理一类问题上具有巨大的速度优势；另一方面是因为经典处理器控制逻辑更加成熟，使用经典处理器控制其他设备的程序应用更加成熟，因此目前市面上的量子计算机采用的是典型的异构量子计算机，即量子处理器加经典处理器的架构。
[0005]但目前量子计算机配置宏内核的量子计算机操作系统管理硬件和软件资源，在宏内核操作系统下，系统功能模块大多配置在内核空间内，当用户程序需要使用一些硬件资源时，需要频繁通过系统调用由用户态进入内核态，导致系统开销较大。而且随着宏内核操作系统的内核功能不断增长，宏内核的量子计算机操作系统的复杂度也持续增加，在可靠性、安全性等方面容易导致更多的问题。这是因为在宏内核架构下，所有内核模块均运行在特权内核态下，一个单点的错误就可能会导致整个系统崩溃或者被攻破，哪怕是具有极强编程能力的量子计算机操作系统的内核程序员编写的程序也很难避免bug，因此，现有的宏内核的量子计算机操作系统在稳定性、可靠性、安全性等方面难以得到保证。
[0006]因此，开发一种开销小、稳定性高、安全性优越的基于微内核架构的量子计算机操作系统及量子计算机成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]本申请实施例的目的在于提出一种基于微内核架构的量子计算机操作系统及量子计算机，以解决现有基于宏内核的量子计算机操作系统存在的系统调用开销大、稳定性差、可靠性低、安全性较弱等技术问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种基于微内核架构的量子计算机操
作系统，采用了如下所述的技术方案：
[0009]一种基于微内核架构的量子计算机操作系统，量子计算机操作系统用于控制异构量子计算机，异构量子计算机包括至少一个量子处理器和至少一个经典处理器，量子计算机操作系统包括内核空间和用户空间，还包括内核对象管理模块和数据传递模块，内核对象管理模块和数据传递模块配置于内核空间内，内核对象管理模块管理的内核对象至少包括进程空间和进程间通信门，其中：
[0010]内核对象管理模块，用于在接收到数据传递请求后，基于数据传递请求读取进程空间中的进程管理数据，得到远程物理内存地址或硬件资源的使用权限，根据物理内存地址或资源使用权限创建进程间通信通道；
[0011]数据传递模块，用于根据数据传递请求和进程间通信通道实现至少一个量子处理器和至少一个经典处理器的消息传递和/或远程内存访问。
[0012]进一步地，数据传递模块还包括数据端点，其中，数据端点包括发送端点、接收端点和内存端点。
[0013]进一步地，内核对象管理模块通过以下方式创建进程间通信通道：
[0014]在进行消息传递时，配置发送端点与接收端点，当消息传递涉及硬件资源的使用时，根据硬件资源的使用权限决定是否在发送端点与接收端点之间创建进程间通信通道；
[0015]在进行远程内存访问时，获取发送端点或接收端点对远程物理内存地址的读写权限，并根据读写权限，在发送端点或接收端点与内存端点之间创建进程间通信通道。
[0016]进一步地，还包括量子驱动模块，量子驱动模块配置于用户空间内，其中：
[0017]量子驱动模块，用于实现至少一个量子处理器的量子比特标定，并驱动量子比特标定后的至少一个量子处理器完成量子计算操作。
[0018]进一步地，量子驱动模块包括上层组件、中间层组件和底层组件，其中，底层组件包括：
[0019]参数模型单元，用于表征至少一个量子处理器中的参数之间的逻辑关系；
[0020]波形计算单元，用于根据参数计算输入脉冲波形；
[0021]接口驱动单元，用于驱动测控硬件以发射输入脉冲波形对应的脉冲信号到至少一个量子处理器的量子比特，并读取量子比特中的信号变化结果；
[0022]数值处理单元，用于对信号变化结果进行处理，输出量子比特标定结果；
[0023]上层组件包括自动标定算法单元，自动标定算法单元内封装有自动标定算法，自动标定算法单元用于通过预设的测量实验获取量子比特及量子门的属性数据，以实现至少一个量子处理器的量子比特标定；
[0024]中间层组件包括接口管理单元，接口管理单元用于调用参数模型单元、波形计算单元、接口驱动单元和数值处理单元以完成测量实验。
[0025]进一步地，内核对象管理模块还用于进程空间管理，其中，进程空间管理至少包括配置内存页表和资源使用权限表。
[0026]进一步地，内核对象管理模块管理的内核对象还包括线程；
[0027]内核对象管理模块还用于线程管理，以使同一个进程空间里的多个所述线程共享进程的内存地址空间和资源使用权限。
[0028]进一步地，内核对象管理模块管理的内核对象还包括硬件中断；
[0029]内核对象管理模块还用于硬件中断管理，通过接收中断请求，从预先配置的中断处理程序中查找与中断请求相匹配的目标处理程序，并运行目标处理程序。
[0030]为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种量子计算机，采用了如下所述的技术方案：
[0031]一种量子计算机，包括如上述基于微内核架构的量子计算机操作系统和硬件设备，硬件设备包括至少一个量子处理器和至少一个经典处理器，其中，量子计算机操作系统加载编译生成的可执行用户程序后，对可执行用户程序进行解析，得到量子计算任务和经典计算任务，将量子计算任务发送给至少一个量子处理器，以执行量子计算任务，将经典计算任务发送给至少一个经典处理器，以执行经典计算任务。
[0032]为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种量子计算机可读存储介质，采用了如下所述的技术方案：
[0033]一种量子计算机可读存储介质，存储有量子计算机可执行指令，当量子计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微内核架构的量子计算机操作系统，所述量子计算机操作系统用于控制异构量子计算机，所述异构量子计算机包括至少一个量子处理器和至少一个经典处理器，所述量子计算机操作系统包括内核空间和用户空间，其特征在于，还包括内核对象管理模块和数据传递模块，所述内核对象管理模块和所述数据传递模块配置于所述内核空间内，所述内核对象管理模块管理的内核对象至少包括进程空间和进程间通信门，其中：所述内核对象管理模块，用于在接收到数据传递请求后，基于所述数据传递请求读取所述进程空间中的进程管理数据，得到远程物理内存地址或硬件资源的使用权限，根据物理内存地址或资源使用权限创建进程间通信通道；所述数据传递模块，用于根据所述数据传递请求和所述进程间通信通道实现所述至少一个量子处理器和所述至少一个经典处理器的消息传递和/或远程内存访问。2.如权利要求1所述的基于微内核架构的量子计算机操作系统，其特征在于，数据传递模块还包括数据端点，其中，所述数据端点包括发送端点、接收端点和内存端点。3.如权利要求2所述的基于微内核架构的量子计算机操作系统，其特征在于，所述内核对象管理模块通过以下方式创建进程间通信通道：在进行消息传递时，配置所述发送端点与所述接收端点，当所述消息传递涉及硬件资源的使用时，根据所述硬件资源的使用权限决定是否在所述发送端点与所述接收端点之间创建进程间通信通道；在进行远程内存访问时，获取所述发送端点或所述接收端点对远程物理内存地址的读写权限，并根据所述读写权限，在所述发送端点或所述接收端点与所述内存端点之间创建进程间通信通道。4.如权利要求1所述的基于微内核架构的量子计算机操作系统，其特征在于，还包括量子驱动模块，所述量子驱动模块配置于所述用户空间内，其中：所述量子驱动模块，用于实现所述至少一个量子处理器的量子比特标定，并驱动量子比特标定后的所述至少一个量子处理器完成量子计算操作。5.如权利要求4所述的基于微内核架构的量子计算机操作系统，其特征在于，所述量子驱动模块包括上层组件、中间层组件和底层组件，其中，所述底层组件包括：参数模型单元，用于表征所述至少一个量子处理器中的参数之间的逻辑关系；波形计算单元，用于根据所述参数计算输入脉冲波形；接口驱动单元，用于驱动测控硬件以发射所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭聪，项金根，
申请(专利权)人：深圳量旋科技有限公司，
类型：发明
国别省市：