專利名稱：一種協(xié)同量子計算機體系結(jié)構(gòu)方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明計算機信息處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)的協(xié)同量子計算機體系結(jié)構(gòu)方案。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)每個計算機芯片上集成的晶體管數(shù)目隨著時間呈指數(shù)增長，每18個月，CPU的速度加一倍，若干年之后計算機的存儲單元將會是單個原子。當(dāng)集成電路板上導(dǎo)線之間的距離達(dá)到納米級的時候，會由于量子效應(yīng)而可能導(dǎo)致不可避免的計算錯誤等問題。已有的經(jīng)典計算機理論不能解決這些問題，并且計算機不可避免的能耗也會限制芯片集成度的提高，也就是單個CPU存在著一個極限速度。因此，信息科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展必須借助于新的理論和新的方法。
從原理上講，經(jīng)典計算可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進(jìn)行變換(邏輯門操作)的物理過程?；诮?jīng)典比特的非0即1的確定特征，經(jīng)典算法是通過經(jīng)典計算機(或經(jīng)典圖靈機)的內(nèi)部邏輯電路加以實現(xiàn)的.而量子計算，則是基于量子比特的既|0＞又|1＞相干疊加特征，對可由量子疊加態(tài)描述的輸入信號，根據(jù)量子的算法要求，進(jìn)行叫做“量子邏輯門操作”的幺正變換.這是一個被人為控制的、以輸入態(tài)為初態(tài)的量子物理演化過程。對末態(tài)-輸出態(tài)進(jìn)行量子測量，給出量子計算的結(jié)果.顧名思義，所謂的量子計算機(quantum computer)就是實現(xiàn)這種量子計算過程的機器。
量子信息是指以量子力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)、通過量子系統(tǒng)的各種相干特性(如量子并行、量子糾纏和量子不可克隆等)，進(jìn)行計算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞?。根?jù)摩爾(Moore)定律，每十八個月計算機微處理器的速度就增長一倍，其中單位面積(或體積)上集成的元件數(shù)目會相應(yīng)地增加?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，芯片元件就會達(dá)到它能以經(jīng)典方式工作的極限尺度。因此，突破這種尺度極限是當(dāng)代信息科學(xué)所面臨的一個重大科學(xué)問題。量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，發(fā)揮量子相干特性的強大作用，探索以全新的方式進(jìn)行計算、編碼和信息傳輸?shù)目赡苄?，為突破芯片極限提供新概念、新思路和新途徑。量子力學(xué)與信息科學(xué)結(jié)合，不僅充分顯示了學(xué)科交叉的重要性，而且量子信息的最終物理實現(xiàn)，會導(dǎo)致信息科學(xué)觀念和模式的重大變革。事實上，傳統(tǒng)計算機也是量子力學(xué)的產(chǎn)物，它的器件也利用了諸如量子隧道現(xiàn)象等量子效應(yīng)。但僅僅應(yīng)用量子器件的信息技術(shù)，并不等于是現(xiàn)在所說的量子信息。目前的量子信息主要是基于量子力學(xué)的相干特征，重構(gòu)密碼、計算和通訊的基本原理。
量子信息學(xué)提供了一個量子力學(xué)新的應(yīng)用領(lǐng)域，它把量子理論引入到信息科學(xué)之中，在提高計算機運算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面都有重大的作用。量子計算機具有并行處理的能力?？紤]一個n個物理比特的存儲器，由于量子操作的線性性，一次量子操作可以同時對2n個輸入數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，其效果相當(dāng)于經(jīng)典計算機要重復(fù)實施2n次操作；另外，在量子計算機上實施并行算法，可以快速實現(xiàn)大素數(shù)因子分解的算法，使得現(xiàn)有的常用的安全的RSA加密方案不再安全，通訊的安全性受到了威脅。
目前的量子計算機研究還主要集中在量子計算機的量子器件實現(xiàn)。要制造出具有高性價比的量子計算機系統(tǒng)，除了對量子計算機的器件實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行研究外，還需要對量子計算機體系結(jié)構(gòu)展開研究，并根據(jù)量子計算特點和目前實現(xiàn)技術(shù)，采用各種合理方法，盡可能提高其性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種協(xié)同量子計算機體系結(jié)構(gòu)方案，該體系結(jié)構(gòu)方案增加了量子計算機的指令并行性，并充分考慮了現(xiàn)有實現(xiàn)技術(shù)，在保證計算性能的同時，降低了量子計算機的實現(xiàn)難度。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下該協(xié)同量子計算機包括由經(jīng)典計算機系統(tǒng)構(gòu)成的經(jīng)典處理子系統(tǒng)，主要包含經(jīng)典處理器、經(jīng)典存儲器和I/O子系統(tǒng)，其特征是該協(xié)同量子計算機還帶有量子存儲子系統(tǒng)、量子計算處理器、和量子計算接口部件；量子存儲子系統(tǒng)包含量子寄存器QR、量子糾錯部件和量子存儲管理部件，它們共同完成量子數(shù)據(jù)存儲空間的管理、量子數(shù)據(jù)的存儲以及避免量子系統(tǒng)退相干破壞數(shù)據(jù)；量子計算協(xié)處理器由一個基本通用量子門專用功能部件構(gòu)成，已經(jīng)證明，量子計算中所有幺正轉(zhuǎn)換均可以由基本量子門構(gòu)成，不同的量子基本門在構(gòu)造量子門以及物理實現(xiàn)上存在差異，但在功能上是等價的，因此在實現(xiàn)量子計算機時采用什么基本通用量子門集要依所具有的物理條件而定；量子計算接口部件的主要功能是負(fù)責(zé)接受經(jīng)典處理器傳來的量子計算指令，并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的一系列量子協(xié)處理器指令，控制量子器件的運行；接收經(jīng)典處理器的數(shù)據(jù)，送給量子計算協(xié)處理器；接收量子計算協(xié)處理器傳來的數(shù)據(jù)，送給經(jīng)典處理器。
所述量子寄存器QR是由多個量子位組成的量子系統(tǒng)，QR＝{qubiti|i＝1，2，…，m}，m位的量子寄存器QR的量子態(tài)|QR＞可以描述為m個量子位狀態(tài)的張量積，|QR＞＝|1＞|2＞…|n＞，其中|i＞為量子位qubiti的量子態(tài)；為了滿足計算的需要，m必須足夠大，量子存儲系統(tǒng)中的量子位如同傳統(tǒng)的存儲器，它們是線性編址，當(dāng)計算需要新的量子數(shù)據(jù)空間時，例如所需的量子數(shù)據(jù)長度為l，l＜m時，量子存儲管理部件將從系統(tǒng)空閑量子位堆中分配1個量子位，形成量子寄存器QRik={qubiti|i=1,2,···,m;1<=m}.]]>所述量子存儲管理部件有如下操作1).量子寄存器分配操作QR＝QMAlloc(length)，該操作申請分配length個空閑量子位形成量子寄存器以存放量子數(shù)據(jù)；2).量子寄存器釋放操作QDAlloc(QR)，該操作釋放QR所擁有的量子位，這些量子位形成空閑量子位，可以分配給其它量子寄存器。
所述量子計算協(xié)處理器中數(shù)據(jù)表示采用糾錯編碼，并由量子糾錯部件周期性的刷新量子位狀態(tài)；而且每個量子位都有一個專門的刷新單元，負(fù)責(zé)周期性地執(zhí)行錯誤檢測與邏輯位的狀態(tài)恢復(fù)。
基本通用量子門集合QA＝{H，R，CNOT，I，X，Z，Y，QP，QM}作為量子計算協(xié)處理器的基本計算指令，并具有對應(yīng)的量子門操作。
所述量子計算協(xié)處理器的指令格式采用如下格式描述<指令名，控制位，目標(biāo)位，操作參數(shù)>。
所述量子計算接口部件采用動態(tài)調(diào)度方法，使用指令流出部件和指令隊列來完成動態(tài)調(diào)度；指令流出部件的功能如下1)記錄了所有量子位的是否可用標(biāo)識；2)記錄量子門執(zhí)行部件是否可用的標(biāo)識；3)不斷查詢各個指令隊列，發(fā)現(xiàn)可執(zhí)行指令則流出到相應(yīng)量子門執(zhí)行部件。
指令隊列的功能如下1)它是先進(jìn)先出隊列；2)每個量子位有一個指令隊列；3)量子指令的目標(biāo)位決定指令所處的隊列。
指令流出部件的執(zhí)行過程如下1)掃描各個指令隊列，如果發(fā)現(xiàn)隊列頭的指令滿足可流出條件，就將指令流出；2)將控制位、目標(biāo)位和量子門執(zhí)行部件標(biāo)識為不可用；3)量子計算器件完成計算后，將目標(biāo)位和量子計算器件表示為可用。
指令流出條件如下1)目標(biāo)位可用；2)量子門執(zhí)行部件可用；3)控制位可用。
在該量子計算機中采用了糾錯技術(shù)，對量子計算機中的量子位增加若干冗余量子位，這些量子位之間采用糾錯編碼，從而使量子計算機具有容錯功能。
該方案將經(jīng)典計算機作為整個系統(tǒng)的控制核心，而將量子計算部件作為量子計算協(xié)處理器，只負(fù)責(zé)完成量子計算。該方案中借鑒經(jīng)典處理器中指令并行技術(shù)，在量子計算協(xié)處理器增加了量子指令動態(tài)調(diào)度技術(shù)；借鑒量子糾錯編碼技術(shù)，提出了構(gòu)造可靠的可伸縮量子存儲系統(tǒng)的方案。該體系結(jié)構(gòu)方案增加了量子計算機的指令并行性，并充分考慮了現(xiàn)有實現(xiàn)技術(shù)，在保證計算性能的同時，降低了量子計算機的實現(xiàn)難度。


圖1是本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)框圖；圖2是量子計算接口部件結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明程序開發(fā)執(zhí)行過程流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明的一種協(xié)同量子計算機主要由經(jīng)典處理子系統(tǒng)和量子存儲子系統(tǒng)、量子計算處理器、量子計算接口部件組成。
經(jīng)典處理子系統(tǒng)由經(jīng)典計算機系統(tǒng)構(gòu)成，主要包含經(jīng)典處理器、經(jīng)典存儲器和I/O子系統(tǒng)。它在該計算機體系結(jié)構(gòu)中處于核心控制地位。經(jīng)典處理器的主要功能是運行量子程序，實現(xiàn)量子程序控制流；處理量子計算中的經(jīng)典計算；當(dāng)執(zhí)行到程序中嵌入的量子操作指令時，向量子計算接口部件發(fā)送控制命令，并接受返回結(jié)果。
量子存儲子系統(tǒng)包含量子寄存器QR、量子糾錯部件和量子存儲管理部件，它們共同完成量子數(shù)據(jù)存儲空間的管理、量子數(shù)據(jù)的存儲以及避免量子系統(tǒng)退相干破壞數(shù)據(jù)。
量子寄存器QR是由多個量子位組成的量子系統(tǒng)，QR＝{qubiti|i＝1，2，…，m}。m位的量子寄存器QR的量子態(tài)|QR＞可以描述為m個量子位狀態(tài)的張量積，|QR＞＝|1＞|2＞…|n＞，其中|i＞為量子位qubiti的量子態(tài)。為了滿足計算的需要，m必須足夠大。量子存儲系統(tǒng)中的量子位如同傳統(tǒng)的存儲器，它們是線性編址。當(dāng)計算需要新的量子數(shù)據(jù)空間時，例如所需的量子數(shù)據(jù)長度為l，l＜m時，量子存儲管理部件將從系統(tǒng)空閑量子位堆中分配1個量子位，形成量子寄存器QRik={qubiti|i=1,2,···,m;m>=1}]]>量子存儲管理部件有如下操作量子寄存器分配操作QR＝QMAlloc(length)。該操作申請分配length個空閑量子位形成量子寄存器以存放量子數(shù)據(jù)。
量子寄存器釋放操作QDAloc(QR)，該操作釋放QR所擁有的量子位，這些量子位形成空閑量子位，可以分配給其它量子寄存器。
在量子計算機中，量子寄存器與傳統(tǒng)的動態(tài)RAM存儲器類似，表示量子位的微粒和外界環(huán)境相互作用將破壞量子位的疊加態(tài)，從而產(chǎn)生錯誤，這種現(xiàn)象稱為退相干。因此量子計算協(xié)處理器中數(shù)據(jù)表示必須采用糾錯編碼，并由量子糾錯部件周期性的刷新量子位狀態(tài)。每個量子位都有一個專門的刷新單元，負(fù)責(zé)周期性地執(zhí)行錯誤檢測與邏輯位的狀態(tài)恢復(fù)。
量子計算協(xié)處理器由一個基本通用量子門專用功能部件構(gòu)成。已經(jīng)證明，量子計算中所有幺正轉(zhuǎn)換均可以由基本量子門構(gòu)成。不同的量子基本門在構(gòu)造量子門以及物理實現(xiàn)上存在差異，但在功能上是等價的。因此在實現(xiàn)量子計算機時采用什么基本通用量子門集要依據(jù)所具有的物理條件而定。本專利采用如下基本通用量子門集合QA＝{H，R，CNOT，I，X，Z，Y，QP，QM}作為量子計算協(xié)處理器的基本計算指令，它們有對應(yīng)的量子門操作。
由于目前還沒有量子計算協(xié)處理器的物理實現(xiàn)，只能通過模擬技術(shù)研究其計算過程。所以量子計算協(xié)處理器的指令格式采用如下格式描述<指令名，控制位，目標(biāo)位，操作參數(shù)>。
量子計算接口部件的主要功能是負(fù)責(zé)接受經(jīng)典處理器傳來的量子計算指令，并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的一系列量子協(xié)處理器指令，控制量子器件的運行；接收經(jīng)典處理器的數(shù)據(jù)，送給量子計算協(xié)處理器；接收量子計算協(xié)處理器傳來的數(shù)據(jù)，送給經(jīng)典處理器。
如圖2所示為量子計算接口部件結(jié)構(gòu)框圖。所述量子計算接口部件采用動態(tài)調(diào)度方法，使用指令流出部件和指令隊列來完成動態(tài)調(diào)度。
指令流出部件的功能如下1)記錄了所有量子位的是否可用標(biāo)識；2)記錄量子門執(zhí)行部件是否可用的標(biāo)識；3)不斷查詢各個指令隊列，發(fā)現(xiàn)可執(zhí)行指令則流出到相應(yīng)量子門執(zhí)行部件。
指令隊列的功能如下1)它是先進(jìn)先出隊列；2)每個量子位有一個指令隊列；3)量子指令的目標(biāo)位決定指令所處的隊列。
指令流出部件的執(zhí)行過程如下1)掃描各個指令隊列，如果發(fā)現(xiàn)隊列頭的指令滿足可流出條件，就將指令流出；2)將控制位、目標(biāo)位和量子門執(zhí)行部件標(biāo)識為不可用；
3)量子計算器件完成計算后，將目標(biāo)位和量子計算器件表示為可用。
指令流出條件如下1)目標(biāo)位可用；2)量子門執(zhí)行部件可用；3)控制位可用。
如圖3所示為本發(fā)明程序開發(fā)執(zhí)行過程流程圖，其中大實線框內(nèi)的操作數(shù)據(jù)流為經(jīng)典操作數(shù)據(jù)流，右邊大虛線框內(nèi)的數(shù)據(jù)操作流為量子操作流。本發(fā)明程序開發(fā)執(zhí)行過程流程如下1.用戶使用針對量子計算擴展的程序設(shè)計語言QJava進(jìn)行程序開發(fā)，編寫源代碼；2.編譯器編譯源代碼，同時將源代碼中對量子計算原語的調(diào)用編譯成一系列基本量子計算指令序列，對計算過程進(jìn)行優(yōu)化；3.生成可執(zhí)行程序文件保存在經(jīng)典存儲系統(tǒng)；4.需要執(zhí)行程序時，用戶在經(jīng)典計算機中輸入命令，操作系統(tǒng)加載可執(zhí)行文件；5.進(jìn)程通過經(jīng)典I/O設(shè)備接收計算所需的外部數(shù)據(jù)；6.進(jìn)程準(zhǔn)備計算所需數(shù)據(jù)；7.程序中經(jīng)典處理所需數(shù)據(jù)和操作由經(jīng)典計算處理模塊負(fù)責(zé)計算；8.程序中量子處理所需的數(shù)據(jù)和操作過程被發(fā)送到計算處理模塊，量子處理內(nèi)核制備量子寄存器狀態(tài)；9.量子計算處理模塊根據(jù)量子計算指令調(diào)用相應(yīng)的量子門對量子寄存器進(jìn)行變換；10.量子門陣列完成計算后，量子計算處理模塊對量子寄存器的狀態(tài)進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果返回經(jīng)典計算處理模塊；11.經(jīng)典計算處理模塊對收到量子計算結(jié)果進(jìn)行評價，如果量子計算結(jié)果不是所需要的解，則返回8，反之則繼續(xù)后面的計算；12.經(jīng)典計算處理模塊判斷是否結(jié)束程序；如果不是則返回到5，反之則退出執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.一種協(xié)同量子計算機體系結(jié)構(gòu)方案，該協(xié)同量子計算機包括由經(jīng)典計算機系統(tǒng)構(gòu)成的經(jīng)典處理子系統(tǒng)，主要包含經(jīng)典處理器、經(jīng)典存儲器和I/O子系統(tǒng)，其特征是該協(xié)同量子計算機還帶有量子存儲子系統(tǒng)、量子計算處理器、和量子計算接口部件；量子存儲子系統(tǒng)包含量子寄存器QR、量子糾錯部件和量子存儲管理部件，它們共同完成量子數(shù)據(jù)存儲空間的管理、量子數(shù)據(jù)的存儲以及避免量子系統(tǒng)退相干破壞數(shù)據(jù)；量子計算協(xié)處理器由一個基本通用量子門專用功能部件構(gòu)成，已經(jīng)證明，量子計算中所有幺正轉(zhuǎn)換均可以由基本量子門構(gòu)成，不同的量子基本門在構(gòu)造量子門以及物理實現(xiàn)上存在差異，但在功能上是等價的，因此在實現(xiàn)量子計算機時采用什么基本通用量子門集要依所具有的物理條件而定；量子計算接口部件的主要功能是負(fù)責(zé)接受經(jīng)典處理器傳來的量子計算指令，并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的一系列量子協(xié)處理器指令，控制量子器件的運行；接收經(jīng)典處理器的數(shù)據(jù)，送給量子計算協(xié)處理器；接收量子計算協(xié)處理器傳來的數(shù)據(jù)，送給經(jīng)典處理器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同量子計算機，其特征是所述量子寄存器QR是由多個量子位組成的量子系統(tǒng)，QR＝{qubiti|i＝1，2，…，m}，m位的量子寄存器QR的量子態(tài)|QR＞可以描述為m個量子位狀態(tài)的張量積，|QR＞＝|1＞|2＞...|n＞，其中i＞為量子位qubiti的量子態(tài)；為了滿足計算的需要，m必須足夠大，量子存儲系統(tǒng)中的量子位如同傳統(tǒng)的存儲器，它們是線性編址，當(dāng)計算需要新的量子數(shù)據(jù)空間時，例如所需的量子數(shù)據(jù)長度為l，l＜m時，量子存儲管理部件將從系統(tǒng)空閑量子位堆中分配l個量子位，形成量子寄存器QRik={qubiti|i=1,2,···,m;1<=m}.]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同量子計算機，其特征是所述量子存儲管理部件有如下操作1).量子寄存器分配操作QR＝QMAlloc(length)，該操作申請分配length個空閑量子位形成量子寄存器以存放量子數(shù)據(jù)；2).量子寄存器釋放操作QDAlloc(QR)，該操作釋放QR所擁有的量子位，這些量子位形成空閑量子位，可以分配給其它量子寄存器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同量子計算機，其特征是所述量子計算協(xié)處理器中數(shù)據(jù)表示采用糾錯編碼，并由量子糾錯部件周期性的刷新量子位狀態(tài)；而且每個量子位都有一個專門的刷新單元，負(fù)責(zé)周期性地執(zhí)行錯誤檢測與邏輯位的狀態(tài)恢復(fù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同量子計算機，其特征是基本通用量子門集合QA＝{H，R，CNOT，I，X，Z，Y，QP，QM}作為量子計算協(xié)處理器的基本計算指令，并具有對應(yīng)的量子門操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同量子計算機，其特征是所述量子計算協(xié)處理器的指令格式采用如下格式描述<指令名，控制位，目標(biāo)位，操作參數(shù)>。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同量子計算機，其特征是所述量子計算接口部件采用動態(tài)調(diào)度方法，使用指令流出部件和指令隊列來完成動態(tài)調(diào)度；指令流出部件的功能如下1)記錄了所有量子位的是否可用標(biāo)識；2)記錄量子門執(zhí)行部件是否可用的標(biāo)識；3)不斷查詢各個指令隊列，發(fā)現(xiàn)可執(zhí)行指令則流出到相應(yīng)量子門執(zhí)行部件；指令隊列的功能如下1)它是先進(jìn)先出隊列；2)每個量子位有一個指令隊列；3)量子指令的目標(biāo)位決定指令所處的隊列；指令流出部件的執(zhí)行過程如下1)掃描各個指令隊列，如果發(fā)現(xiàn)隊列頭的指令滿足可流出條件，就將指令流出；2)將控制位、目標(biāo)位和量子門執(zhí)行部件標(biāo)識為不可用；3)量子計算器件完成計算后，將目標(biāo)位和量子計算器件表示為可用；指令流出條件1)目標(biāo)位可用；2)量子門執(zhí)行部件可用；3)控制位可用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同量子計算機，其特征是在該量子計算機中采用了糾錯技術(shù)，對量子計算機中的量子位增加若干冗余量子位，這些量子位之間采用糾錯編碼，從而使量子計算機具有容錯功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種協(xié)同量子計算機體系結(jié)構(gòu)方案，在傳統(tǒng)計算機技術(shù)、量子計算機實現(xiàn)技術(shù)與量子計算語言研究的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了協(xié)同量子計算機體系結(jié)構(gòu)方案。它是在傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴充量子計算部件以傳統(tǒng)計算機作為系統(tǒng)的控制中心，量子計算部件作為協(xié)處理器，只負(fù)責(zé)完成量子計算，在該方案中借鑒經(jīng)典處理器中指令并行技術(shù)，在量子計算協(xié)處理器增加了量子計算機的指令并行性，并充分考慮了現(xiàn)有實現(xiàn)技術(shù)，在保證計算性能力的同時，降低了量子計算機的實現(xiàn)難度。
文檔編號G06N99/00GK1870015SQ20061003612
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日
發(fā)明者羅笑南, 彭斌斌 申請人:中山大學(xué)